O Modelo Gene a Gene na Interação Hospedeiro-Patógeno: fundamentos genéticos e moleculares da resistência em plantas

 

Introdução

A compreensão dos mecanismos que determinam se uma planta expressará resistência ou sucumbirá à doença constitui uma das questões centrais da fitopatologia moderna, com implicações diretas sobre estratégias de melhoramento genético e manejo integrado de doenças. O modelo conceitual que primeiro forneceu explicação genética coerente para essa dicotomia — conhecido como modelo gene a gene — foi formulado por Harold Henry Flor a partir de décadas de trabalho experimental com o patossistema linho (Linum usitatissimum L.) e seu agente causal da ferrugem, Melampsora lini (Pers.) Lév., demonstrando que tanto a capacidade do hospedeiro de reagir com resistência quanto a capacidade do patógeno de causar doença são condicionadas por genes específicos que interagem de maneira complementar (FLOR, 1971). Passados mais de cinquenta anos de sua formulação original, o modelo gene a gene permanece como arcabouço conceitual estruturante para a compreensão da especificidade race-cultivar em inúmeros patossistemas, tendo sido posteriormente enriquecido por descobertas moleculares que elucidaram a natureza bioquímica dos genes envolvidos e sua integração em modelos mais amplos de imunidade vegetal (JONES; DANGL, 2006). O objetivo do presente texto é sistematizar, com base na literatura científica consolidada, os fundamentos genéticos, bioquímicos e moleculares do modelo gene a gene, bem como sua aplicação prática no melhoramento de plantas para resistência a doenças.

Desenvolvimento

Origem histórica e formulação genética do modelo

O modelo gene a gene emergiu da observação de que a reação de diferentes variedades de linho a diferentes raças fisiológicas de Melampsora lini segregava de maneira mendeliana previsível, tanto quando se analisava a herança da resistência no hospedeiro quanto quando se analisava a herança da capacidade patogênica no parasita (FLOR, 1971). A partir dessas observações, Flor (1971) propôs que, para cada gene que condiciona a reação de resistência no hospedeiro, existe um gene correspondente no patógeno que condiciona sua patogenicidade, de modo que a relação entre os dois organismos deve ser interpretada não como propriedade isolada de um ou de outro, mas como resultado de uma interação genética específica e recíproca entre ambos. Esse princípio implica que a resistência observada em determinado cultivar frente a determinado isolado do patógeno depende da combinação particular de genótipos presentes de ambos os lados da interação, e não de uma característica fixa e absoluta do hospedeiro (FLOR, 1971).

O modelo elicitor-receptor e a confirmação molecular

Por praticamente quatro décadas após sua formulação, o modelo gene a gene permaneceu essencialmente uma construção genética inferida a partir de dados de segregação, sem que a natureza molecular dos produtos gênicos envolvidos fosse conhecida. A clonagem progressiva de genes de avirulência de patógenos e, posteriormente, de genes de resistência de plantas permitiu confirmar experimentalmente que a relação gene a gene reflete, em sua base bioquímica, uma interação entre um produto proteico específico codificado pelo gene de avirulência do patógeno — denominado elicitor — e um receptor codificado pelo gene de resistência correspondente do hospedeiro, consolidando o chamado modelo elicitor-receptor (KEEN, 1990). Segundo essa formulação, o reconhecimento do elicitor pelo receptor específico do hospedeiro desencadeia uma cascata de sinalização de defesa que culmina, na maioria dos sistemas estudados, na reação de hipersensibilidade, ao passo que a ausência de reconhecimento — seja pela ausência do gene de resistência no hospedeiro, seja pela ausência ou modificação do gene de avirulência no patógeno — permite o estabelecimento da doença (KEEN, 1990).

Estrutura molecular dos genes de resistência

O sequenciamento e a caracterização estrutural dos primeiros genes de resistência clonados em plantas revelaram que a maioria de seus produtos proteicos compartilha uma arquitetura modular conservada, caracterizada por um domínio central de ligação a nucleotídeo, denominado NB-ARC em razão de sua homologia estrutural com os domínios reguladores de morte celular programada APAF-1 de mamíferos e CED-4 de Caenorhabditis elegans, fusionado a repetições ricas em leucina (LRR) responsáveis pela especificidade de reconhecimento do produto do gene de avirulência correspondente (VAN DER BIEZEN; JONES, 1998). Essa homologia estrutural entre reguladores de morte celular programada em plantas e em animais sugere uma origem evolutiva compartilhada dos mecanismos moleculares subjacentes à ativação da resposta de defesa mediada por reconhecimento específico, reforçando a interpretação de que os genes de resistência funcionam como sensores intracelulares especializados na detecção de sinais de invasão patogênica (VAN DER BIEZEN; JONES, 1998).

A reação de hipersensibilidade como desfecho da interação incompatível

Quando o reconhecimento específico entre o produto do gene de resistência e o produto do gene de avirulência ocorre com sucesso, o desfecho fenotípico mais comumente observado é a reação de hipersensibilidade, definida como uma forma de morte celular programada rápida e localizada no sítio de infecção, associada à ativação de vias de transdução de sinal que envolvem alterações no fluxo iônico transmembrana, produção de espécies reativas de oxigênio e modificações no padrão de fosforilação de proteínas de defesa (PONTIER; BALAGUÉ; ROBY, 1998). Essa morte celular localizada restringe fisicamente o avanço do patógeno biotrófico ou hemibiotrófico para além do sítio de penetração inicial, funcionando como mecanismo de contenção que impede a colonização generalizada do tecido hospedeiro, ainda que os componentes genéticos responsáveis pela execução propriamente dita do programa de morte celular permaneçam, em grande medida, menos caracterizados do que os componentes responsáveis pelo seu desencadeamento (PONTIER; BALAGUÉ; ROBY, 1998).

Integração do modelo gene a gene em modelos ampliados de imunidade vegetal

A partir da primeira década do século XXI, o modelo gene a gene passou a ser reinterpretado como um dos dois componentes de um sistema imune vegetal de dupla camada, formalizado no modelo denominado zigzag por Jones e Dangl (2006). Segundo essa formulação, a primeira camada de defesa, denominada imunidade ativada por padrões moleculares, reconhece moléculas conservadas e amplamente compartilhadas entre diferentes classes de micro-organismos, incluindo não patógenos, por meio de receptores localizados na superfície celular, ao passo que a segunda camada, denominada imunidade ativada por efetores, corresponde justamente à interação gene a gene clássica, na qual receptores intracelulares codificados por genes de resistência reconhecem, direta ou indiretamente, efetores específicos do patógeno que originalmente evoluíram para suprimir a primeira camada de defesa (JONES; DANGL, 2006). Essa reinterpretação não invalida o modelo original de Flor, mas o insere em um arcabouço evolutivo mais amplo, no qual a coevolução entre hospedeiro e patógeno é compreendida como um processo contínuo de reconhecimento e escape recíproco entre as duas camadas imunológicas (JONES; DANGL, 2006).

Aplicação prática no melhoramento genético para resistência

A validade e a robustez experimental do modelo gene a gene fundamentaram, ao longo de décadas, as principais estratégias de melhoramento genético voltadas à obtenção de cultivares resistentes a doenças, sobretudo pela possibilidade de rastrear e introgredir genes de resistência específicos por meio de cruzamentos dirigidos e, mais recentemente, de seleção assistida por marcadores moleculares (MUNDT, 2018). Entretanto, a mesma especificidade que confere eficácia a um gene de resistência isolado também o torna vulnerável à seleção de genótipos virulentos no patógeno, decorrentes de mutação, deleção ou perda do gene de avirulência correspondente, fenômeno que compromete a durabilidade da resistência monogênica ao longo do tempo em sistemas de produção em larga escala (MUNDT, 2018). Diante dessa limitação, a estratégia de piramidação de genes de resistência — a combinação de múltiplos genes R distintos em um mesmo genótipo — tem sido amplamente investigada como abordagem capaz de aumentar a durabilidade da resistência, na medida em que exige do patógeno a ocorrência simultânea de mutações de virulência em múltiplos loci de avirulência para superar a resistência combinada, ainda que exemplos de sucesso pleno dessa estratégia na acepção tradicional permaneçam relativamente restritos, sendo mais amplamente documentados em sistemas envolvendo ferrugens de cereais (MUNDT, 2018).

Conclusão

O modelo gene a gene, formulado originalmente por Flor a partir da genética clássica de segregação no patossistema linho–ferrugem, constitui até hoje o fundamento conceitual sobre o qual se assenta a compreensão da especificidade da resistência em plantas, tendo sido progressivamente validado e refinado por descobertas moleculares que revelaram a natureza elicitor-receptora da interação entre os produtos dos genes de avirulência e de resistência (FLOR, 1971; KEEN, 1990). A caracterização estrutural dos genes de resistência como receptores intracelulares de arquitetura NB-LRR, associada à elucidação dos mecanismos moleculares da reação de hipersensibilidade, consolidou a base bioquímica do modelo, ao passo que sua integração ao modelo zigzag de imunidade vegetal ampliou sua interpretação para um sistema coevolutivo de duas camadas de reconhecimento (VAN DER BIEZEN; JONES, 1998; PONTIER; BALAGUÉ; ROBY, 1998; JONES; DANGL, 2006). Do ponto de vista prático, o conhecimento acumulado sobre a interação gene a gene fundamenta diretamente as estratégias de melhoramento genético voltadas à resistência a doenças, ao mesmo tempo em que evidencia os limites da resistência monogênica isolada frente à evolução da virulência no patógeno, justificando a busca por estratégias de piramidação e diversificação genética como caminho para a durabilidade da resistência em sistemas agrícolas (MUNDT, 2018).

Referências Bibliográficas

FLOR, H. H. Current status of the gene-for-gene concept. Annual Review of Phytopathology, v. 9, p. 275-296, 1971. DOI: 10.1146/annurev.py.09.090171.001423.

JONES, Jonathan D. G.; DANGL, Jeffery L. The plant immune system. Nature, v. 444, p. 323-329, 2006. DOI: 10.1038/nature05286.

KEEN, N. T. Gene-for-gene complementarity in plant-pathogen interactions. Annual Review of Genetics, v. 24, p. 447-463, 1990. DOI: 10.1146/annurev.ge.24.120190.002311.

MUNDT, Christopher C. Pyramiding for resistance durability: theory and practice. Phytopathology, v. 108, n. 7, p. 792-802, 2018. DOI: 10.1094/PHYTO-12-17-0426-RVW.

PONTIER, Dominique; BALAGUÉ, Claudine; ROBY, Dominique. The hypersensitive response. A programmed cell death associated with plant resistance. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences - Series III, v. 321, p. 721-734, 1998. DOI: 10.1016/S0764-4469(98)80013-9.

VAN DER BIEZEN, Erik A.; JONES, Jonathan D. G. The NB-ARC domain: a novel signalling motif shared by plant resistance gene products and regulators of cell death in animals. Current Biology, v. 8, n. 7, p. R226-R227, 1998. DOI: 10.1016/S0960-9822(98)70145-9.