Milho (milho) é sem dúvida o primeiro, e talvez o seu maior feito, da engenharia genética. As suas enormes espigas – cada uma com grãos de amido, proteína e óleo firmemente unidos – fazem dele um alimento básico. O milho contemporâneo, ao contrário do teosinte dos seus ancestrais herbívoros selvagens, não consegue sobreviver sem as pessoas porque não consegue dispersar as suas próprias sementes. As origens do milho são há muito intrigantes para os geneticistas, mas só recentemente os novos métodos moleculares permitiram que as trutas evolutivas localizassem suas origens e identificassem as modificações genéticas (GMs) que permitiram a transformação radical do teosinte em milho contemporâneo. Na página 1206 desta edição, Jaenicke-Després, Doebley e seus colegas ( 1) fornecem o último capítulo desta história de detetives e sugerem que as pessoas pré-históricas foram rápidas em adotar o milho GM.

Teosinte e milho ( Zea mays) não são muito parecidos, mas são interferentes. Os híbridos de milho teosinte surgem na natureza, mas parecem tão diferentes de qualquer dos pais que foram originalmente classificados como uma espécie diferente ( Zea canina). Na década de 1920, Beadle examinou cromossomas em híbridos de teosinte-corn e concluiu que as duas plantas pertenciam à mesma espécie, e até partilhavam a mesma ordem cromossómica de genes. Isso deveria ter resolvido a questão da origem do milho, mas não resolveu.

Em 1938, o eminente geneticista do milho Mangelsdorf propôs que o milho evoluiu de uma espécie extinta de milho sul-americano e que o teosinte originou-se de um cruzamento entre outra erva, Tripsacum, e milho ( 2). Embora incómoda, esta hipótese foi amplamente aceita, e Mangelsdorf e Beadle foram poupados publicamente durante anos. Ao se aposentar, Beadle organizou uma expedição ao México para procurar mais parentes do milho selvagem, retornando com sementes que provaram ser inestimáveis para a próxima geração de arqueólogos moleculares. A hipótese do Tripsacum foi brevemente ressuscitada em meados dos anos 90, mas nessa altura a evidência molecular favoreceu esmagadoramente a noção de que o teosinte era o antepassado do milho moderno ( 3).

Então como, quando e onde é que o teosinte foi transformado em milho? Beadle deu ao seu mentor, Emerson, crédito pela idéia de que apenas algumas mutações transformaram o teosinte em milho ( 4). Analisando híbridos retrocruzados de teosinte de milho com sondas moleculares, o grupo de Doebley chegou a uma conclusão surpreendentemente semelhante: As diferenças entre o milho e o teosinte podem ser rastreadas até apenas cinco regiões genómicas ( 5). Em duas dessas regiões, as diferenças foram atribuíveis a alelos alternativos de apenas um gene: a arquitetura da glume do teosinte ( tga1) e a ramificação do teosinte ( tb1), que afetam a estrutura do grão e a arquitetura da planta.

O gene tga1 controla a dureza, tamanho e curvatura da glume ( 6). Os grãos de teosinte são rodeados por uma caixa de frutos em forma de pedra, assegurando sua passagem incólume pelo trato digestivo do animal, que é necessário para a dispersão das sementes. Mas o sucesso reprodutivo da planta é o fracasso nutricional do consumidor. Não surpreendentemente, uma das maiores diferenças entre o milho e o grão de teosinte reside nas estruturas (cúpula e calo exterior) que envolvem o grão. O grão de milho não desenvolve uma casca de fruto porque a glúmea é mais fina e mais curta e a cúpula é colapsada. A dureza dos grãos de teosinte provém de depósitos de sílica nas células epidérmicas da glúmea e da impregnação das células da glúmea com o polímero lignina. O alelo tga1 do milho suporta um crescimento mais lento da glúmula e menos deposição de sílica e lignificação do que o teosinte tga1alle.

O locus tb1 é largamente responsável pela arquitetura diferente das duas plantas. O teosinte produz muitos ramos laterais longos, cada um deles encimado por uma flor masculina (tassel), e suas flores femininas (orelhas) são produzidas por ramos secundários que crescem dos ramos principais. O milho moderno tem um caule principal com uma borla na parte superior. Seus ramos laterais são curtos e suportam suas grandes espigas. Grande parte da diferença é atribuível ao gene tb1, originalmente identificado num mutante do tipo teosinte do milho. As mutações geralmente ab-rogam a função do gene, indicando que o alelo do milho age suprimindo o desenvolvimento do rebento lateral, convertendo o teosinte herbáceo em milho moderno fino e de uma só pé e o macho em estruturas reprodutivas femininas ( 7).

A consciência de que este conjunto de características é controlado por apenas dois genes faz com que seja menos surpreendente que as diferenças genéticas nestes genes possam tornar o teosinte numa planta alimentar muito melhor. No entanto, por mais útil que fosse para as pessoas, uma mutação de tga1 teria sido prejudicial ao teosinte, tornando-o mais vulnerável à destruição no trato digestivo do consumidor e, portanto, menos capaz de dispersar suas sementes. Assim, a única forma desta mutação poder ter persistido é se os nossos antepassados propagassem as próprias sementes. Isto implica que as pessoas não estavam apenas colhendo – e provavelmente moendo e cozinhando – as sementes deteosinte antes que estas mutações aparecessem, mas também estavam selecionando por características favoráveis como a qualidade do grão e o tamanho da espiga. Por sua vez, isto sugere um “gargalo” na evolução do milho: Vários GMs úteis foram reunidos em uma única planta e então as sementes desta planta foram propagadas, dando origem a todas as variedades contemporâneas de milho. Tal previsão pode ser testada calculando o número de gerações e indivíduos que ela levaria em conta para a variabilidade molecular presente no milho contemporâneo. Os resultados de tal teste sugerem um gargalo para a domesticação do milho de apenas 10 gerações e uma população fundadora de apenas 20 indivíduos ( 8). Isto aconteceu uma ou muitas vezes? Como as diferenças genéticas surgem a um ritmo bastante constante, esta questão pode ser respondida através da construção de árvores genealógicas utilizando sequências semelhantes de diferentes variedades de teosinte e milho contemporâneo. Os resultados são inequívocos: Todas as variedades de milho contemporâneas pertencem a uma única família, apontando para um único evento de domesticação.

Sabendo quão rapidamente as diferenças surgem, quantas existem hoje, e onde a família de origem sobrevive, é possível determinar quando… e onde… tudo começou. A resposta é que o milho provavelmente surgiu de teosinte da subespécie parviglumis na bacia do rio Balsas, no sul do México, há cerca de 9000 anos ( 9). A recente redação de espigas da caverna Guilá Naquitz (cerca de 500 km da bacia do rio Balsas) demonstrou que elas tinham mais de 6200 anos, fornecendo suporte arqueológico para os achados moleculares ( 10, 11). Estas primeiras espigas de milho não se parecem muito com as de milho moderno, mas parecem ainda menos com as de teosinte (veja a figura). São duras e têm várias fileiras de grãos bem unidos, o que implica que as plantas não teriam sobrevivido sem pessoas para destacar e plantar as sementes. Em contraste, a estrutura reprodutiva do teosinte, o rachis, desmorona quando maduro para liberar suas sementes duras. Assim, mesmo há 6000 anos atrás, as antigas espigas de milho já eram semelhantes ao milho.

Pipoca primitiva. Teosinte ( esquerda) e milho primitivo ( direita). O milho primitivo foi “reconstruído” cruzando teosinte com milho argentino.

CREDIT: JOHN DOEBLEY

O milho transgênico se espalhou muito… e rápido. O milho aparece no registro arqueológico do sudoeste dos Estados Unidos há mais de 3000 anos ( 12), e é evidente que o tamanho da espiga já havia aumentado sob seleção. O estudo Jaenicke-Després et al. ( 1) examina a seleção de traços que não podem ser observados em espigas fossilizadas. Ao colher pequenas amostras de espigas fósseis das cavernas de Ocampo no nordeste do México (2300 a 4400 anos) e da caverna Tularosa no planalto Mogollon no Novo México (650 a 1900 anos), os autores extraíram DNA e amplificaram, clonaram e sequenciaram pequenos fragmentos de DNA do gene tb1, o gene pbf que controla a quantidade de proteína de armazenamento e o gene su1 que codifica uma enzima desbranqueadora de amido cuja atividade afeta a textura das tortilhas de milho. Eles compararam suas antigas seqüências de DNA com as de 66 raças de milho (o milho cultivado por agricultores indígenas) da América do Sul, Central e do Norte e 23 linhas de teosinte parviglumis.

Eles relatam que alelos destes genes típicos do milho moderno já estavam presentes há mais de 4000 anos, implicando que a arquitetura da planta e as propriedades nutritivas do grão foram selecionadas precocemente, muito antes do milho chegar à América do Norte. Todas as 11 antigas espigas carregavam o alelo tb1 presente no milho moderno, mas menos da metade das 23 variedades teosinte carregavam este alelo. Da mesma forma, todas as amostras antigas continham um alelo pbf que é comum no milho, mas raro no teosinte. O alelo su1 moderno predominante foi encontrado em todas as espigas mexicanas mais antigas, mas as mais novas tinham vários alelos diferentes, sugerindo que este gene ainda estava sendo selecionado quando o milho chegou à América do Norte.

Os autores concluem que “… por volta de 4400 anos atrás, os primeiros agricultores já tinham tido um efeito homogeneizador substancial na diversidade alélica em três genes associados com a morfologia do milho e propriedades bioquímicas da espiga de milho”. Isto sugere que uma vez montada esta combinação especial de GMs, as plantas provaram ser tão superiores como cultura alimentar que foram cuidadosamente propagadas e amplamente adotadas, talvez causando algo de uma Revolução Verde pré-histórica. Também implica que a aparente perda da diversidade genética após a introdução das variedades de trigo e arroz da Revolução Verde de alto rendimento nos anos 60 e 70, e atendendo à rápida adoção de culturas GM superiores hoje, está longe de ser um fenômeno novo.

O autor está no Huck Institute for Life Sciences, Pennsylvania State University, University Park, PA 16802, USA. E-mail: [email protected]

Reimpresso com permissão da Science, Vol 302, Issue 5648, 1158-1159, 14 de Novembro de 2003