Fonte: Plants People Planet

1. INTRODUÇÃOO tomate é a cultura hortícola mais cultivada no mundo e a quarta cultura alimentar economicamente mais valiosa produzida em países de baixa e média renda, com uma produção global de aproximadamente US$ 88 bilhões (FAOSTAT, 2019). Entre os ingredientes culinários mais amplamente utilizados globalmente (Long, 2000), é culturalmente significativo e uma importante fonte dietética de carotenóides, incluindo provitamina A (ß-caroteno) e outros antioxidantes (isto é, licopeno e tocoferóis). Deficiências relacionadas entre populações subnutridas causam cegueira infantil, má absorção de nutrientes e maiores riscos de mortalidade e problemas de saúde (Banco de dados global da OMS sobre deficiência de vitamina A, 2021). O México – o centro global de domesticação do tomate – abriga uma agrodiversidade única de tomate (Lobato-Ortiz et al., 2012), incluindo diversidade genética e agroecossistemas tradicionais associados e conhecimento. Consideramos o potencial de pesquisa subexplorado desses recursos, inclusive como um modelo único para explorar a regulação ambiental da biossíntese e acumulação de carotenóides sob diferentes regimes climáticos, e apresentamos evidências preliminares de que variedades mexicanas adaptadas localmente podem demonstrar maior acúmulo de carotenóides em regimes de temperatura em comparação com a principal cultivar comercial no México. No entanto, destacamos que essas linhas de pesquisa promissoras dependem primeiro do estabelecimento de esforços transdisciplinares para melhor identificar, caracterizar e conservar a agrodiversidade do tomate no México.

2 AMEAÇAS EMERGENTES À AGRODIVERSIDADE DO TOMATE Embora nativo da região andina (Blanca et al., 2012), o México é o centro da domesticação do tomate (Razifard et al., 2020) hospedando centenas de variedades (Lobato-Ortiz et al., 2012). Isso inclui diversas variedades vermelhas, amarelas e laranjas (Solanum lycopersicum e Solanum lycopersicum var cerasiforme) que foram criadas e adaptadas a uma variedade de temperaturas, condições de chuva, tipos de solo e estressores bióticos ao longo dos séculos, ligados aos diversos climas, culturas e condições agrícolas do México. tradições (Peralta & Spooner, 2007). Essas variedades foram a fonte das introduções na Europa no século XVII, que tornaram os tomates os pilares das fazendas e dietas em todo o mundo (Blanca et al., 2012, 2015; Foolad, 2007) e são origens para as diversas variedades plantadas em todo o mundo (por exemplo, UC Davis, 2020). No entanto, a partir da década de 1930, os criadores comerciais centraram esforços no aumento da produtividade e da vida útil dos frutos, muitas vezes relegando para as margens características ligadas à qualidade nutricional, sabor, aroma, exigências de insumos e resiliência climática dos frutos (Bai & Lindhout, 2007; Cebolla-Cornejo e outros, 2012). Assim como em outras culturas (Orozco-Ramírez et al., 2017), a produção comercial de tomate também transitou para monoculturas em grande escala de um número reduzido de variedades. Notavelmente, a variedade “saladette” representou 86% da produção mexicana e 25,11% do mercado global de exportação em 2016 (SAGARPA, 2017). No México, isso se alinhou com as pressões do mercado, programas governamentais que promovem variedades dependentes de estufa (Amaro-Rosales & de Gortari-Rabiela, 2016; SAGARPA, 2017), juntamente com migração em larga escala e abandono de fazendas (Villarreal, 2010). Esses fatores estão levando à diminuição da produção de variedades tradicionais; agricultores e chefs em todo o México podem facilmente descrever o desaparecimento das variedades tradicionais, cuja produção é relegada à pequena escala e ao autoconsumo. Essas tendências estão resultando não apenas na perda da agrodiversidade, mas também na perda de práticas agrícolas associadas, tradições culinárias, conhecimentos e valores que muitas vezes foram transmitidos entre comunidades e gerações (ver FAO, 2009, 2020).Mudanças nas práticas agrícolas e erosão genética são preocupações crescentes sob o aquecimento global (Blanca et al., 2015; Cebolla-Cornejo et al., 2012). Muitas variedades comerciais produzidas em massa, incluindo “saladette”, são menos adaptáveis ​​a condições ambientais adversas, ameaçando o rendimento, a qualidade nutricional e o sabor da fruta (FAO et al., 2018; Morton, 2007). A baixa resiliência foi impulsionada por sua variabilidade genética limitada, resultante de efeitos fundadores e reprodução seletiva que caracteriza grande parte da agricultura contemporânea (Foolad, 2007). Até 2030, estima-se que as mudanças ambientais projetadas reduzam os rendimentos em 10% no sul da Itália, com perdas semelhantes ou maiores esperadas na Grécia, Espanha, sul da França, Chipre e Turquia (Georgopoulou et al., 2017; Ventrella et al., 2012). . Há, no entanto, um número crescente de híbridos modernos de tomate desenvolvidos para tolerância a diversos estressores (Schouten Schouten et al., 2019). Notavelmente, tais esforços geralmente envolvem a introgressão de genes de variedades adaptadas localmente. 3 ESTUDO DE PROVA DE CONCEITO: DIVERSIDADE GENÉTICA DE TOMATE PARA PESQUISA BIOQUÍMICA DE PLANTAS EM DIFERENTES AMBIENTES CLIMÁTICOS

Há uma crescente valorização da importância da diversidade genética do tomate para cultivar variedades mais resistentes a ambientes e climas adversos (Chávez-Servia et al., 2011; Cortes-Olmos et al., 2014). Menos amplamente reconhecidos são seus potenciais valores de pesquisa, inclusive para entender a regulamentação ambiental e os efeitos do aquecimento global. Em particular, o tomate acumula concentrações muito altas de carotenóides e outros isoprenóides, tornando a cultura um sistema modelo único para explorar sua biossíntese e acúmulo (Figura 1a). Esses pigmentos multifuncionais derivam da via do metileritritol 4-fosfato (MEP)-isoprenoide (Figura 1a) e são essenciais para a fotossíntese e crescimento das plantas e para a nutrição humana como antioxidantes (ou seja, licopeno) e precursores de vitaminas (pró-vitamina A).

FIGURA 1

(a) Visão geral da via de biossíntese de carotenóides. Quantificação por HPLC de licopeno e ß-caroteno em variedades de tomate selecionadas do estado de Oaxaca de (b) temperaturas frias (média de 14°C) Região Mixteca (M) ou (c) região quente da Costa (média de 34,4°C tomates Mixteca incluem SM: saladette controle comercial mixteca; B: tomate bola; R: tomate rinon, B2: bola II, P: tomate pajarito. Tomates Costa incluem SC, saladette costa; controle comercial; CC: criollo; OV: tomate Ojo de venado; T: tomate tinana e PC: tomate pajarito costa. Os dados representam a média de três réplicas biológicas e as barras de erro indicam o erro padrão. A significância estatística foi calculada com Anova de uma via (p < .05). Os dados que não compartilham uma letra são estatisticamente significativos. (d) Perfis de expressão gênica relativa por qPCR do gene PSY (fitoeno sintase) que codifica para a enzima da etapa limitante da carotenogênese, em tomates Mixteca cultivados em temperaturas frias e (e) em tomates Costa cultivados em temperaturas quentes. Os níveis de transcrição são relativos a ACT4 usado como gene de referência. Os gráficos representam a média de triplicatas biológicas; as barras de erro indicam SE e teste t de significância estatística (p < .05) em comparação com saladette que é indicado por asteriscos (consulte a seção de métodos SI para locais de amostragem e condições experimentais). Abreviaturas: ABA, ácido abscísico; G3P, gliceraldeído 3-fosfato; GGPP, pirofosfato de geranilgeranil; IPP, isopentenil pirofosfato PSY, fitoeno sintase

Dados moleculares gerados em sistemas modelo de plantas destacaram insumos ambientais, como luz e temperatura, como moduladores importantes da produção de carotenóides e outros isoprenóides (Liu et al., 2004; Toledo-Ortiz et al., 2010, 2014). Em particular, os fotorreceptores do fitocromo e seus componentes de sinalização que atuam como termossensores regulam o metabolismo vegetal, incluindo a transcrição do gene da fitoeno sintase (PSY), que codifica a primeira enzima comprometida na carotenogênese (Figura 1a) (Llorente et al., 2016; Toledo -Ortiz et al., 2010, 2014). Atualmente, nosso conhecimento de como a carotenogênese e a biossíntese de isoprenóides são afetados por insumos ambientais ainda é limitado.Em um estudo inicial de prova de conceito, exploramos o potencial de pesquisa de variedades de tomate adaptadas localmente, cultivadas em seus locais de origem em regiões com amplos gradientes climáticos no estado mexicano de Oaxaca (Figura 2a,b). Usamos variedades cultivadas por agricultores tradicionais usando estoque de sementes locais com o objetivo de pesquisar em duas áreas selecionadas germoplasma que cresce em temperaturas extremas (Costa e Mixteca, Figura 2b) o desempenho da carotenogênese para tomates locais em comparação com a variedade comercial “saladette” (Figura 1b , c). Observamos que algumas dessas variedades localmente adaptadas tanto a baixas temperaturas (Figuras 1b; 2a e S1) quanto a altas temperaturas (Figuras 1c; 2a e S1) acumularam maiores teores de licopeno e β-caroteno, quando comparadas com a variedade “saladette”. (Figura 1b,c) pelo menos nas duas regiões de estudo. Isso ilustra que as variedades adaptadas localmente em seus ambientes nativos podem potencialmente ter níveis mais altos de compostos importantes para a nutrição humana do que as cultivares dominantes de tomate cultivadas nas regiões de estudo. Curiosamente, esse maior acúmulo de carotenóides se correlacionou com um maior acúmulo dos níveis de transcrição para a enzima envolvida na etapa limitante da carotenogênese e da fitoeno sintase (PSY) (Figura 1a, d, e). Isso é particularmente claro nas variedades “riñón” e “ojo de venado”, adaptadas, respectivamente, a ambientes mais quentes e mais frios, para as quais os níveis aumentados de transcrição de PSY correlacionam-se com um maior teor de carotenóides (Figura 1b-e). Embora atualmente, os mecanismos exatos de alta acumulação sejam desconhecidos; os resultados preliminares destacam o potencial para usar a genética para investigar a capacidade de resposta de vias biossintéticas essenciais para diferentes ambientes em culturas. Tais mecanismos podem envolver a modulação diferencial de fatores chave de transcrição que controlam o fluxo que levam à alteração da regulação gênica de enzimas carotenogenênicas essenciais ou mecanismos epigenéticos. Sua dissecação pode levar a “cultivares inteligentes para o clima” que são de baixo consumo, alta nutrição e palatáveis, por meio de programas de melhoramento direcionados e possivelmente abordagens biotecnológicas baseadas na tecnologia CRISPR-CAS9 cisgênica. Gerenciados adequadamente (ver Montenegro de Wit, 2017), esses avanços podem ser projetados para beneficiar os agricultores e melhorar a nutrição.

FIGURA 2 (a) Fotografias da agrodiversidade do tomate do estado de Oaxaca cultivado nas regiões Mixteca e Costa. Tomates Mixteca incluem B: tomate bola; R: tomate rinon, B2: bola II, P: tomate pajarito. Os tomates Costa ilustrados são os seguintes: CC: costa criollo; VO: Tomate Ojo de venado; T: tomate tinana; PC: pajarito costa tomate. (b) Mapa da agrodiversidade de tomate cultivado no estado de Oaxaca, amostrado em diversas regiões climáticas. As setas indicam as áreas da região da Mixteca e da região da Costa amostradas para este trabalho. Pontos pretos indicam locais de coleta extras para a coleção nacional ex situ COLPOS que inclui 105 acessos do estado de Oaxaca. (c) Mapa da agrodiversidade do tomate cultivado coletado em diversas regiões climáticas no centro-sul do México para a coleção nacional ex situ do COLPOS. A coleção inclui 628 acessos das áreas indicadas por pontos pretos

4 CONSERVANDO A AGRODIVERSIDADE COMO PRÉ-CONDIÇÃO PARA A PESQUISA DE CIÊNCIAS VEGETAISExplorar ainda mais essas oportunidades de pesquisa requer trabalho para primeiro identificar, caracterizar e conservar as variedades de tomate do México. Espera-se que os recursos de tomate do México sejam vastos, como seu principal centro de domesticação por mais de 1300 anos (Razifard et al., 2020) e dada a prevalência de variedades conhecidas por terem se adaptado a regiões específicas nos 15 climas Koppen-Geiger do México (Kottek et al., 2006), incluindo seca, chuva excessiva e mudanças climáticas bruscas. Vários grupos de pesquisa iniciaram a amostragem (Lobato-Ortiz et al., 2012), inclusive no estado de Oaxaca e no sul do México. Os locais amostrados pelo COLPOS para sua coleta ex situ são ilustrados na Figura 1b,c. Esses esforços iniciais indicam a escala da diversidade do tomate mexicano; no entanto, a maior parte do país ainda não foi pesquisada e estimativas claras estão aguardando, inclusive em estados de alta biodiversidade, como Puebla, Oaxaca e Michoacan. No geral, poucas variedades tradicionais mexicanas foram documentadas ou caracterizadas em termos de características agronômicas, conteúdo nutricional e diversidade genética (Pacheco-Triste et al., 2014). Além disso, não há avaliações de seu estado de conservação in situ nas fazendas (por exemplo, Chávez-Servia et al., 2011; Lobato-Ortiz et al., 2012), e poucos estão em conservação ex situ. As duas maiores coleções do México incluem 628 acessos (COLPOS, para locais de coleta ver Figura 2b,c) e 491 acessos (SNICS, Lobato-Ortiz et al., 2012), representando 11 dos 32 estados do México.Embora, no momento, pouco trabalho de caracterização genética tenha sido conduzido para essas coleções, levantamentos preliminares das variedades crioulas da coleção ex situ COLPOS mostram uma ampla gama de características agronômicas e nutricionais desejáveis, incluindo morfologia da flor (Figura S2) e número e forma do lóculo do fruto (Figura S3 ), bem como parâmetros associados ao prazo de validade, como taxa de respiração pós-colheita e perda de peso da fruta (S4-S5) e acúmulo de antioxidantes totais (Figura S6) e vitamina E (Figura S7). Esses estudos preliminares ilustram o potencial do germoplasma para uso em novos programas de pesquisa, incluindo seu uso como material inicial para novos programas de melhoramento. No entanto, esses bancos de sementes são inseguros devido à falta de recursos para a manutenção das sementes em condições de refrigeração e para o manejo ativo envolvendo plantio sistemático e coleta para manter a alta viabilidade. Fora do México, o Tomato Genetics Resource Center detém a maior coleção do mundo de parentes selvagens do tomate e estoques genéticos diversos, incluindo apenas 51 acessos de variedades crioulas mexicanas em sua coleção de 4.405 estoques (https://tgrc.ucdavis.edu). A Rede de Informações de Recursos de Germoplasma USDA-ARS inclui 124 acessos mexicanos de S. lycopersicum e S.lycopersicum var cersiforme, mas nem todos incluem informações sobre origem ou caracterização genética, e a coleção é direcionada para áreas específicas (ou seja, Estado de Puebla). Outros esforços, como o TradiTom (http://www.traditom.eu/), centraram-se nas variedades europeias. Enquanto isso, estudos em larga escala que usaram diversas amostras de tomate (por exemplo, Lin et al., 2014; Zhu et al., 2018) careceram de amostragem significativa do México. Isso destaca as lacunas nos esforços para identificar e estudar a agrodiversidade do tomate mexicano.Há também a necessidade de conservação ex situ e na fazenda nos locais onde as pressões naturais e seletivas moldaram a adaptação do tomateiro, inclusive para estudar a base genética molecular dessas adaptações. Isso requer intervenções para promover a produção contínua de variedades de tomate em seus nichos (ver Lobato-Ortiz et al., 2012). Manter a conservação da agrodiversidade na propriedade pode apresentar desafios significativos porque é uma cultura e um contexto específico e envolve diversos motivos econômicos e não financeiros (ver Wood & Lenne, 1997). Ações tangíveis de conservação podem incluir reativar a subsistência local e o uso do mercado, juntamente com o estabelecimento cuidadoso de novas redes que ligam os agricultores a mercados novos e de alto valor, incluindo restaurantes gourmet e mercados orgânicos (ver Baker, 2008; Pallante et al., 2016). Há também espaço para programas de compartilhamento de sementes dirigidos por agricultores e extensão agrícola que facilitam a conservação e uso na fazenda (ver Pautasso et al., 2013). Além disso, há necessidade de cooperação e educação entre agricultores, pesquisadores, chefs e consumidores sobre os benefícios, características e tradições associadas à diversidade do tomate. O México já demonstrou que esses tipos de movimentos agroalimentares amplos e cooperativos podem reavivar a agricultura tradicional, facilitando o acesso ao mercado, construindo o reconhecimento da agricultura tradicional e motivando os consumidores (ou seja, com variedades tradicionais de milho, Baker, 2008; FAO, 2020, Globalmente Importante Sistemas de Património Agrícola; FAO, 2009, FAO & Conhecimento Tradicional: as ligações com a sustentabilidade, segurança alimentar e impactos das alterações climáticas; Património Cultural Imaterial (ICH), 2010). Esses esforços são incipientes para os tomates mexicanos, incluindo a consolidação pendente de uma rede mexicana de tomate e o estabelecimento da iniciativa Tomatoes for Tomorrow dos autores, que promove colaborações transdisciplinares para proteger e pesquisar variedades tradicionais de tomate (www.tomatoes4tomorrow.com). Há um crescente reconhecimento da importância da agrodiversidade do tomate mexicano, inclusive para pesquisas que podem trazer benefícios para pequenos e industriais agricultores e consumidores em todo o mundo. Os esforços para explorar ainda mais esse potencial de pesquisa dependem de esforços paralelos e transdisciplinares para identificar e conservar esses recursos em seus centros de origem.Há também a necessidade de conservação ex situ e na fazenda nos locais onde as pressões naturais e seletivas moldaram a adaptação do tomateiro, inclusive para estudar a base genética molecular dessas adaptações. Isso requer intervenções para promover a produção contínua de variedades de tomate em seus nichos (ver Lobato-Ortiz et al., 2012). Manter a conservação da agrodiversidade na propriedade pode apresentar desafios significativos porque é uma cultura e um contexto específico e envolve diversos motivos econômicos e não financeiros (ver Wood & Lenne, 1997). Ações tangíveis de conservação podem incluir reativar a subsistência local e o uso do mercado, juntamente com o estabelecimento cuidadoso de novas redes que ligam os agricultores a mercados novos e de alto valor, incluindo restaurantes gourmet e mercados orgânicos (ver Baker, 2008; Pallante et al., 2016). Há também espaço para programas de compartilhamento de sementes dirigidos por agricultores e extensão agrícola que facilitam a conservação e uso na fazenda (ver Pautasso et al., 2013). Além disso, há necessidade de cooperação e educação entre agricultores, pesquisadores, chefs e consumidores sobre os benefícios, características e tradições associadas à diversidade do tomate. O México já demonstrou que esses tipos de movimentos agroalimentares amplos e cooperativos podem reavivar a agricultura tradicional, facilitando o acesso ao mercado, construindo o reconhecimento da agricultura tradicional e motivando os consumidores (ou seja, com variedades tradicionais de milho, Baker, 2008; FAO, 2020, Globalmente Importante Sistemas de Património Agrícola; FAO, 2009, FAO & Conhecimento Tradicional: as ligações com a sustentabilidade, segurança alimentar e impactos das alterações climáticas; Património Cultural Imaterial (ICH), 2010). Esses esforços são incipientes para os tomates mexicanos, incluindo a consolidação pendente de uma rede mexicana de tomate e o estabelecimento da iniciativa Tomatoes for Tomorrow dos autores, que promove colaborações transdisciplinares para proteger e pesquisar variedades tradicionais de tomate (www.tomatoes4tomorrow.com). Há um crescente reconhecimento da importância da agrodiversidade do tomate mexicano, inclusive para pesquisas que podem trazer benefícios para pequenos e industriais agricultores e consumidores em todo o mundo. Os esforços para explorar ainda mais esse potencial de pesquisa dependem de esforços paralelos e transdisciplinares para identificar e conservar esses recursos em seus centros de origem.