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Melhoramento genético para salvar corais

Corais garantem subsistência de milhões de pessoas e pedem proteção urgente contra mudanças climáticas

 

Emily Howells/AIMS
Esse coral jovem foi criado em laboratório, e em seguida infectado com algas simbióticas que são usadas para lidar com temperaturas elevadas.
Por Amanda Mascarelli e Revista Nature

No litoral da Samoa Americana, o sol tropical toca uma rasa lagoa de maré, aquecendo a água a escaldantes 35ºC durante algumas horas todos os dias. Essas temperaturas matariam a maior parte dos recifes de coral, e mesmo assim a lagoa da Samoa abriga grandes quantidades de corais, alguns do tamanho de geladeiras. “O fato de estarem ali significa que eles se adaptaram para sobreviver”, explica Steve Palumbi, biólogo marinho da Stanford University, na Califórnia. “A verdadeira pergunta é: como eles fizeram isso? E será que todos os corais podem fazer o mesmo?”.

Palumbi está apenas começando a entender como esses corais da Samoa prosperam em condições tão extremas. E ele acredita ser capaz de usar essa habilidade para criar recifes de coral resistentes, com chances de sobreviver às temperaturas oceânicas previstas em função de mudanças climáticas. A partir de agosto, ele e sua equipe tentarão semear “o recife mais inteligente que podemos imaginar”.

Palumbi é parte de um pequeno grupo que estuda corais de todo o mundo e busca soluções para salvar recifes ameaçados. Seu objetivo final é lançar um programa de “evolução auxiliada por humanos”, criando corais resistentes em locais controlados para disseminar em áreas que foram – ou serão – atingidas em cheio pelas mudanças climáticas. “Trabalhar dessa forma com corais é um admirável mundo novo”, comenta Ruth Gates, bióloga marinha da University of Hawaii em Manoa, que junto com a geneticista de corais Madeleine van Oppen, do Instituto Australiano de Ciências Marinhas em Townsville, está ajudando a desenvolver essa área de pesquisa.

O trabalho não está livre de controvérsias. Ainda que ninguém esteja tentando criar corais geneticamente modificados no momento, alguns pesquisadores estão preocupados que a evolução auxiliada por humanos toque no problema de alterar sistemas naturais. “Se você basicamente implanta um coral, você está alterando um sistema natural”, aponta Steve Vollmer, geneticista de corais do Centro de Ciências Marinhas da Northeastern University em Nahant, Massachusetts, que defende a necessidade de conhecer mais sobre as consequencias antes de embarcar nesse tipo de programa. “É como ir para o meio-oeste dos Estados Unidos e transformar grama em soja. Isso traz implicações imensas”.

Na água quente

Recifes de coral foram prejudicados por tudo nas últimas décadas: de águas cada vez mais quente até acidificação oceânica, doenças, sobrepesca e poluição. De acordo com Status of Coral Reefs of the World: 2008, um relatório sintetizado por centenas de cientistas e administradores ambientais, 19% dos recifes de coral do mundo foram perdidos desde 1950 e outros 35% estão ameaçados ou em situação crítica. Algumas áreas sofreram de maneira desproporcional: o Caribe, por exemplo, perdeu 80% de seus recifes desde a década de 70. Até o fim deste século, pesquisadores esperam que as águas oceânicas saiam de um pH de 8,1 para 7,9 ou mais ácido, e que se aqueçam em média 2ºC por todo o mundo. “É como se você puxasse a tampa da banheira e a água fosse embora – esse é o estado dos corais”, compara Palumbi.

Projetos de restauração de recifes têm se concentrado no Caribe e em outros locais criticamente atingidos por mais de 20 anos. Nesses programas, pequenas amostras são retiradas de recifes locais e cultivados em estufas controladas. Após alguns meses, fragmentos maiores que uma mão pode ser “reimplantados” em um coral usando cimento marítimo, onde continuará a crescer. Alguns projetos já mostraram que transplantes e restaurações de corais podem ser realizados em pequena escala. Mas corais transplantados crescem mais lentamente e têm taxas de mortalidade maiores que o normal. “A restauração de corais sempre foi muito cara, lenta e ineficaz”, observa Palumbi. “Nosso objetivo é descobrir como realizá-la de maneira mais inteligente”.

Essa maneira mais inteligente faz uso da surpreendete resistência de alguns corais e das algas simbióticas que vivem dentro deles. “Às vezes nós encontramos recifes que estão se saindo muito bem em locais onde não esperaríamos encontrá-los”, conta Gates –como um recife perto de Taiwan, que fica sob o cano de despejo de uma usina nuclear e passa por flutuações de temperatura entre 6ºC e 8ºC por dia. “Com tudo o que sabemos, esperaríamos ver esses corais mortos. Mas eles não morreram: estão florescendo”. Espera-se que águas com pH reduzido [mais ácido] dissolvam esqueletos de coral – mas em Palau, no Oceano Pacífico ocidental, pesquisadores encontraram recifes que são maiores e mais diversos em águas relativamente mais ácidas que a média do Pacífico. Outro estudo descobriu que as terríveis previsões sobre a frequência de futuros eventos de branqueamento de corais – mortes em massa quando corais perdem suas algas simbióticas – ficam reduzidas entre 20 e 80% se os modelos levarem em conta a capacidade que os corais têm de se adaptar após eventos de branqueamento anteriores. Esses atrasos evitaram a morte em massa de corais por aproximadamente uma década.

Até agora, pesquisadores tiveram poucos indícios sobre o que torna alguns corais resistentes. Em um estudo publicado em 2013, Palumbi e seus colegas, incluindo Daniel Barshis, biólogo marinho de Stanford, comparou duas populações do coral de recife Acropora hyacinthus em seu habitat na Ilha Ofu, na Samoa Americana. Uma população vive na quente lagoa onde temperaturas atingem 35ºC durante marés baixas no verão e flutuam até 6ºC diariamente; a outra, menos isolada por marés, tem que lidar com temperaturas de apenas 29ºC. A equipe depositou amostras em tanques controlados e elevou as temperaturas cerca de 3ºC acima do normal durante quatro dias. Todos os corais tinham ficado brancos ao final do quarto dia. Mas os da lagoa mais quente sobreviveram durante mais tempo e tiveram taxas de expressão maiores para 60 genes, incluindo genes associados à tolerância térmica bem conhecidos como os que produzem proteínas de choque térmico e enzimas antioxidantes.

Palumbi e Barshis acreditam que tanto a aptidão genética quanto a aclimatação têm papeis importantes no aumento da tolerância. Suas análises sugerem que corais podem “ficar mais durões” durante o curso de suas vidas em resposta a condições ambientais. Os corais da lagoa quente são fisiologicamente preparados para tolerar mudanças térmicas adicionais, “como um atleta que treina desde muito jovem”, compara Barshis.

Uma mudança promissora é que espécies mais tolerantes ao calor também parecem ser mais resistentes a transplantes. Após reimplantar cerca de 400 amostras das duas áreas de recife nas duas lagoas durante um experimento, Palumbi e sua equipe descobriram que o transplante dos corais das lagoas mais quentes foi mais eficiente e cresceu mais rápido que o das lagoas mais frescas.

No próximo mês de agosto de 2014, Palumbi e seus colegas planejam começar um projeto experimental de restauração no Recife Sili, na Ilha Ofu. Para selecionar os melhores corais, os pesquisadores usarão seus extensivos dados sobre a área, incluindo medidas de crescimento e transcriptomas – diagramas da parte do genoma que é ativamente transcrita em proteínas. Eles também planejam usar dados de um teste portátil de estresse para os corais que Palumbi está desenvolvendo – “como uma esteira para testar a função cardíaca de um ser humano”, compara ele. Ele e sua equipe construíram tanques a partir de caixas de resfriamento modificadas com luzes, aquecedores e resfriadores que podem dosar corais com uma quantidade controlada de alto estresse fisiológico. Ao monitorar o branqueamento e a quantidade de clorofila, eles devem ser capazes de prever como corais podem responder a possíveis condições de branqueamento.

Orientados por todas essas informações, eles devem selecionar os corais mais resistentes e com crescimento mais rápido para seu recife inteligente. Ao mesmo tempo, eles construirão um segundo recife a partir de corais selecionados aleatoriamente. Em seguida, eles acompanharão a sobrevivência dos recifes durante vários anos. “A pergunta é: podemos fazer melhor se tivermos mais informações sobre os corais individuais?”, questiona Palumbi. “Sinceramente, eu não sei a resposta.

Legado de sobrevivência

Outros pesquisadores encontraram evidências encorajadoras de que a resistência ao estresse conseguida por meio da aclimatização pode ser transmitida à prole. Um trabalho ainda não publicado de Gates, conduzido por Hollie Putnam da University of Hawaii, mostra que corais couve-flor (Pocillopora damicornis) expostos a estresse durante a reprodução produzem larvas com maior resistência ao calor e à acidificação oceânica. A equipe sugere que essa proteção transgeneracional é provocada por mudanças epigenéticas: a modificação de marcadores moleculares no genoma que afeta a expressão genética.

Gates e van Oppen planejam observar especificamente áreas que já sobreviveram a eventos massivos de branqueamento, como Moorea na Polinésia Francesa, a Grande Barreira de Corais na Austrália, e as Seicheles, onde 97% dos corais das ilhas internas morreram após o evento de aquecimento oceânico El Niño, em 1997-98. (Uma estufa já foi criada para os corais que sobreviveram nas Seicheles, e fragmentos deles foram plantados em recifes para auxiliar sua recuperação). Gates e van Oppen planejam realizar a reprodução cruzada de corais que sobreviveram a esse branqueamento tão violento, e acompanhar a resistência da prole.

Gates e van Oppen receberam o prêmio de US$10 mil do Desafio Oceânico Paul G. Allen por suas ideias, além de um convite para se candidatar a um financiamento multimilionário. Dependendo de quanto financiamento recebam, elas também planejam usar calor e acidez para estressar corais antes de sua reprodução, para verificar se, e como, a tolerância é passada para outras gerações. A partir de maio, van Oppen e sua equipe começarão a coletar espécimes adultos do coral Pocillopora acuta, da Grande Barreira de Corais, e vão cultivá-los no massivo Simulador Marítimo Nacional do Instituto Australiano de Ciências Marinhas, um aquário com tanques controlados para replicar condições de mar aberto.

Por fim, Gates e van Oppen esperam criar um ‘banco de sementes’ de gametas e embriões fertilizados a partir de condições extremas em que corais persistem apesar da situação – incluindo os recifes rasos de Coconut Island, no Havaí, onde tanto a temperatura quanto o pH flutuam drasticamente, atingindo máximas semelhantes às esperadas nos oceanos em 2050. O banco de sementes adicionaria a esforços iniciados pela Instituição Smithsonian, dos Estados Unidos, em colaboração com organizações havaianas e australianas que já estão armazenando células espermáticas e embriônicas de corais. Uma última e importante peça do quebra-cabeça são as algas simbióticas dos corais: sua vida é mais curta que a de seus hospedeiros, e elas evoluem mais rápido que eles, e pesquisas mostram que podem transmitir tolerância térmica a seus descendentes. Um estudo, por exemplo, descobriu que corais jovens inoculados com cepas de algas coletadas de um recife conhecido por sua resistência ao calor cresceram bem quando expostos a temperaturas de até 32ºC, enquanto amostras do mesmo coral inoculadas com algas de um recife mais fresco sofreram branqueamento e morte de tecidos.

Andrew Baker, biólogo marinho da University of Miami, na Flórida, e seus colegas descobriram que simbiontes de uma linhagem chamada de “clado D” tendem a se tornar mais prevalentes em alguns corais submetidos ao calor, o que sugere que as algas são mais capazes que outras cepas de sobreviver a essas condições, e que eles ajudam seus hospedeiros a sobreviver também. Desde então, estudos mostraram que simbiontes clado D, particularmente os tipos D1 e D1a, são prevalentes em uma grande variedade de corais que sobreviveram a eventos extremos de branqueamento. Putnam, Gates e seus colegas descobriram que uma cepa diferente, a C15, parece ser dominante nos corais resistentes ao calor nas proximidades de Moorea.

Pesquisadores como Baker estão começando a pensar sobre a possibilidade de plantar recifes de coral intencionalmente com cepas mais resistentes de algas para ajudá-las a resistir aos perigos da mudança climática. Mas ainda não está claro se será possível manipular populações simbiontes de maneira eficaz na natureza, onde condições ambientais podem fazer com que os corais favoreçam um tipo específico de alga.

Trabalhadores em estufas e fazendas de corais já existentes estão enviando amostras de corais e simbiontes para sequenciamento genético por pesquisadores, enquanto mantêm registros sobre quais organismos se saem bem durante choques térmicos ou surtos de doenças. De acordo com Les Kaufman, biólogo marinho da Boston University em Massachusetts, pesquisadores já armazenaram centenas de cepas genotipadas de várias espécies de coral, incluindo o coral chifre-de-veado (Acropora cervicornis) de locais do Caribe.

Ajuda ou não?

Os dias de tentar produzir recifes com corais geneticamente modificados ainda estão no futuro. Mas conforme a pesquisa segue essa direção, alguns temem que esse tipo de alteração possa fazer mais mal que bem.

 

Selecionar traços como a resistência ao calor ou à acidificação pode conduzir a um efeito de gargalo, por exemplo. “Programas de reprodução seletiva podem reduzir de maneira eficaz a capacidade de corais se adaptarem a mudanças futuras em condições ambientais ao reduzir a variação genética”, explica David Miller, biólogo especializado em corais da James Cook University, em Townsville. E isso se a reprodução seletiva chegar a funcionar. Ainda é muito cedo para saber se a resistência ao calor e à acidez são fortemente herdáveis, aponta ele.

Miller e outros apontam que a reprodução cruzada para melhorar traços específicos de plantas e cães, por exemplo, geralmente vêm à custa de outros traços. “Frequentemente existe um efeito de “troca” de modo que, por exemplo, indivíduos mais tolerantes ao estresse têm a tendência de crescer mais lentamente”, explica Miller. Selecionar a resistência ao calor e à acidez poderia, hipoteticamente, levar a uma maior suscetibilidade a doenças, por exemplo.

Manuel Aranda, biólogo molecular evolutivo do Centro de Pesquisa do Mar Vermelho na King Abdullah University of Science and Technology em Thuwal, na Arábia Saudita, concorda que a reprodução pode ter um preço. Mas, de acordo com ele, o sério declínio na saúde dos corais exige a exploração de todas as opções disponíveis. “Se há ameaça de perda de um ecossistema inteiro, você vai querer começar em algum lugar”.

Até recentemente, de acordo com Baker, o objetivo da administração dos recifes de coral era simplesmente criar reservas marinhas e reduzir as pressões da poluição e da pesca, esperando que isso deixasse os corais fortes o suficiente para lidar com mudanças climáticas. “O pêndulo mudou quando as pessoas perceberam o quanto a situação é terrível”, declara Baker. “Nós precisamos fazer mais que isso. Precisamos agir”.

Cerca de 500 milhões de pessoas dependem de recifes de corais em termos alimentares e financeiros, e a subsistência de outras 30 milhões é completamente dependente de recifes. Para Gates, estatísticas como essas, combinadas com os fatos da mudanças climáticas, tornam a busca da evolução assistida necessária e urgente. “Nós não temos muito tempo”, conclui ela.

 

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 23 de abril de 2014.

Sciambr28abr2014