As capacidades superiores de fotossíntese de algumas plantas podem ser a chave para culturas resistentes ao clima

As capacidades superiores de fotossíntese de algumas plantas podem ser a chave para culturas resistentes ao clima

Cientistas de Salk descobrem como algumas espécies de plantas desenvolveram uma abordagem de fotossíntese mais eficiente; descobertas podem ajudar a tornar culturas como arroz e trigo mais resistentes às mudanças climáticas

LA JOLLA—Mais de 3 bilhões de anos atrás, em uma Terra totalmente coberta de água, a fotossíntese evoluiu primeiro em pequenas bactérias antigas. Nos muitos milhões de anos seguintes, essas bactérias evoluíram para plantas, otimizando-se ao longo do caminho para várias mudanças ambientais. Essa evolução foi pontuada por volta de 30 milhões de anos atrás com o surgimento de uma maneira mais nova e melhor de fotossíntese. Enquanto plantas como o arroz continuaram usando uma forma antiga de fotossíntese conhecida como C3, outras como o milho e o sorgo desenvolveram uma versão mais nova e eficiente chamada C4.

Existem agora mais de 8,000 espécies diferentes de plantas C4, que crescem particularmente bem em climas quentes e secos e são algumas das espécies de cultivo mais produtivas do mundo. No entanto, a grande maioria das plantas ainda funciona com fotossíntese C3. Então, como as plantas C4 surgiram e as plantas C3 poderiam receber uma atualização semelhante?

Agora, pela primeira vez, cientistas do Salk e colaboradores da Universidade de Cambridge descobriram um passo fundamental que plantas C4, como o sorgo, precisavam dar para evoluir e se tornar tão eficientes na fotossíntese — e como poderíamos usar essa informação para tornar culturas como arroz, trigo e soja mais produtivas e resistentes ao nosso clima mais quente.

Os resultados foram publicados em Natureza Em novembro 20, 2024.

“Perguntar o que torna as plantas C3 e C4 diferentes não é importante apenas da perspectiva biológica básica de querer saber por que algo evoluiu e como funciona no nível molecular”, diz o professor José Ecker, autor sênior do estudo, presidente do Salk International Council em Genética e pesquisador do Howard Hughes Medical Institute. “Responder a essa pergunta é um grande passo para entender como podemos fazer as colheitas mais robustas e produtivas possíveis diante das mudanças climáticas e de uma população global crescente.”

Cerca de 95% das plantas usam a fotossíntese C3, na qual as células do mesófilo — células esponjosas verdes que vivem dentro das folhas — transformam luz, água e dióxido de carbono em açúcares que alimentam as plantas. Apesar de sua alta prevalência, a fotossíntese C3 tem duas grandes deficiências: 1) 20% do tempo, o oxigênio é usado acidentalmente em vez do dióxido de carbono e deve ser reciclado, o que retarda o processo e desperdiça energia, e 2) os poros na superfície da folha ficam abertos com muita frequência enquanto esperam o dióxido de carbono entrar, fazendo com que a planta perca água e se torne mais vulnerável à seca e ao calor.

Felizmente, a evolução resolveu esses problemas com a fotossíntese C4. As plantas C4 recrutam células da bainha do feixe, que normalmente servem como suporte das nervuras das folhas, para fotossintetizar junto com as células do mesófilo. Como resultado, as plantas C4 eliminam esses erros de uso de oxigênio para conservar energia e manter os poros da superfície da planta fechados com mais frequência para conservar água. O resultado é um aumento de 50% na eficiência em comparação com as plantas C3.

Mas no nível molecular, o que fez as plantas C3 se transformarem em plantas C4? E os cientistas poderiam levar as culturas C3 a se tornarem culturas C4?

Para responder a essas perguntas, os cientistas do Salk empregaram tecnologia de ponta de genômica de célula única para observar a diferença entre o arroz C3 e o sorgo C4. Enquanto os métodos anteriores eram muito imprecisos para distinguir células vizinhas, como células do mesófilo e da bainha do feixe, a genômica de célula única permitiu que a equipe investigasse as mudanças genéticas e estruturais em cada tipo de célula de ambas as plantas.

"Ficamos surpresos e animados ao descobrir que a diferença entre plantas C3 e C4 não é a remoção ou adição de genes específicos", diz Ecker. "Em vez disso, a diferença está em um nível regulatório, o que pode tornar mais fácil para nós, a longo prazo, ativar a fotossíntese C4 mais eficiente em culturas C3."

Todas as células dentro de um organismo contêm os mesmos genes, mas quais genes são expressos em um dado momento é o que determina a identidade e a função de cada célula. Uma maneira pela qual a expressão genética pode ser modificada é por meio da atividade de fatores de transcrição. Essas proteínas reconhecem e se ligam a pequenos trechos de DNA perto dos genes, chamados elementos reguladores. Uma vez em posição no elemento regulador, um fator de transcrição pode ajudar a “ligar” ou “desligar” os genes próximos.

Ao medir a expressão gênica em plantas de arroz e sorgo, os cientistas descobriram que uma família de fatores de transcrição comumente chamada de DOFs era responsável por ativar os genes para fazer células da bainha do feixe em ambas as espécies. Eles também notaram que os DOFs estavam se ligando ao mesmo elemento regulador em ambas as espécies. No entanto, em plantas de sorgo C4, esse elemento regulador não estava apenas associado aos genes de identidade da bainha do feixe — ele também estava ativando os genes da fotossíntese. Isso sugeriu que as plantas C4 tinham, em algum momento, adicionado elementos reguladores ancestrais para genes da bainha do feixe aos genes da fotossíntese, de modo que os DOFs ativariam ambos os conjuntos de genes ao mesmo tempo. Isso explicaria como as células da bainha do feixe em plantas C4 ganharam a capacidade de fotossíntese.

Esses experimentos revelaram que tanto as plantas C3 quanto as C4 contêm os genes e fatores de transcrição necessários para o processo superior de fotossíntese C4 — uma descoberta promissora para cientistas que esperam incentivar as plantas C3 a usar a fotossíntese C4.

“Agora temos esse modelo de como diferentes plantas utilizam a energia do sol para sobreviver em diferentes ambientes”, diz Joseph Swift, coautor do estudo e pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Ecker. “O objetivo final é tentar ativar a fotossíntese C4 e, por sua vez, criar culturas mais produtivas e resilientes para o futuro.”

O próximo passo da equipe é determinar se o arroz pode ser projetado para usar a fotossíntese C4 em vez de C3. Esta continua sendo uma meta de longo prazo com desafios técnicos significativos que estão sendo abordados por um esforço colaborativo global conhecido como “Projeto Arroz C4.” Mais imediatamente, as descobertas informarão o Iniciativa Salk Harnessing PlantsA missão da é criar culturas otimizadas que simultaneamente combatam e resistam à ameaça das mudanças climáticas.

Seus dados de genômica de células únicas também foram compartilhados como um recurso para cientistas do mundo todo, rapidamente gerando entusiasmo por suas respostas a esse antigo mistério da evolução.

Outros autores incluem Travis Lee e Joseph Nery, de Salk, assim como Leonie Luginbuehl, Lei Hua, Tina Schreier, Ruth Donald, Susan Stanley, Na Wang e Julian Hibberd, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.

O trabalho foi apoiado pelo Instituto Médico Howard Hughes, Conselho de Pesquisa em Biotecnologia e Ciências Biológicas, Projeto C4 Rice, Fundação Bill e Melinda Gates, Fundação de Pesquisa em Ciências Biológicas, Bolsa Herchel Smith e Organização Europeia de Biologia Molecular.

DOI: 10.1038/s41586-024-08204-3