Chegando à raiz de como as plantas toleram muito ferro

Chegando à raiz de como as plantas toleram muito ferro

Cientistas da Salk descobrem um gene responsável por ajudar as plantas a prosperar em ambientes estressantes

LA JOLLA—O ferro é essencial para o crescimento das plantas, mas com chuvas fortes e pouca aeração, muitos solos ácidos tornam-se tóxicos com excesso de ferro. Em países com estações de cheias dramáticas, como na África Ocidental e na Ásia tropical, os níveis tóxicos de ferro podem ter consequências terríveis na disponibilidade de alimentos básicos, como o arroz.

Apesar de dezenas de tentativas nas últimas duas décadas para descobrir os genes responsáveis ​​pela tolerância ao ferro, eles permaneceram indescritíveis até recentemente. Agora, os cientistas do Salk descobriram um importante regulador genético da tolerância ao ferro, um gene chamado GSNOR. As descobertas, publicadas na Natureza das Comunicações em 29 de agosto de 2019, pode levar ao desenvolvimento de espécies de cultivo que produzem maiores rendimentos em solos com excesso de ferro.

“Esta é a primeira vez que um gene e suas variantes naturais foram identificados para tolerância ao ferro”, disse o professor associado Wolfgang Busch, autor sênior do artigo e membro do Laboratório de Biologia Molecular e Celular de Salk, bem como do Laboratório de Biologia Integrativa. “Este trabalho é empolgante porque agora entendemos como as plantas podem crescer em condições estressantes, como altos níveis de ferro, o que pode nos ajudar a produzir colheitas mais resistentes ao estresse”.

Em plantas como o arroz, os níveis elevados de ferro no solo causam danos celulares diretos, prejudicando gorduras e proteínas, diminuindo a capacidade de crescimento das raízes. No entanto, algumas plantas parecem ter tolerância inerente a altos níveis de ferro; os cientistas queriam entender o porquê.

“Acreditávamos que havia mecanismos genéticos subjacentes a essa resistência, mas não estava claro quais genes eram os responsáveis”, diz o primeiro autor Baohai Li, pós-doutorando no laboratório Busch. “Para examinar essa questão, usamos o poder da variação natural de centenas de diferentes linhagens de plantas para estudar a adaptação genética a altos níveis de ferro”.

Os cientistas primeiro testaram várias cepas de uma pequena planta de mostarda (Arabidopsis thaliana), para observar se havia variação natural na resistência do ferro. Algumas das plantas exibiram tolerância à toxicidade do ferro, então os pesquisadores usaram uma abordagem chamada estudos de associação do genoma (GWAS) para localizar o gene responsável. Suas análises apontaram o gene GSNOR como a chave para permitir que plantas e raízes cresçam em ambientes pesados ​​de ferro.

Os pesquisadores também descobriram que o mecanismo de tolerância ao ferro está, para sua surpresa, relacionado às atividades do óxido nítrico, uma molécula gasosa com uma variedade de funções nas plantas, incluindo a resposta ao estresse. Altos níveis de óxido nítrico induziram estresse celular e prejudicaram a tolerância das raízes das plantas a níveis elevados de ferro. Isso ocorreu quando as plantas não tinham um gene GSNOR funcional. GSNOR provavelmente desempenha um papel central no metabolismo do óxido nítrico e regula a capacidade das plantas de responder ao estresse e danos celulares. Este mecanismo de óxido nítrico e o gene GSNOR também afetaram a tolerância ao ferro em outras espécies de plantas, como o arroz.oryza sativa) e uma leguminosa (Lótus japonicus), sugerindo que este gene e suas atividades são provavelmente críticas em muitas, se não todas, as espécies de plantas.

“Ao identificar esse gene e suas variantes genéticas que conferem tolerância ao ferro, esperamos ajudar plantas, como o arroz, a se tornarem mais resistentes ao ferro em regiões com níveis tóxicos de ferro”, diz Busch. “Desde que descobrimos que esse gene e caminho foram conservados em várias espécies de plantas, suspeitamos que eles possam ser importantes para a resistência ao ferro em todas as plantas superiores. Além disso, esse gene e via também podem desempenhar um papel em humanos e podem levar a novos tratamentos para condições associadas à sobrecarga de ferro”.

Em seguida, Li abrirá seu próprio laboratório na Universidade de Zhejiang, na China. Ele planeja identificar as variantes genéticas relevantes no arroz e observar se as variantes de tolerância ao ferro podem aumentar o rendimento das colheitas em campos chineses inundados.

Outros autores incluíram Jianyan Huang e Joanne Chory de Salk, Li Sun e Weiming Shi da Academia Chinesa de Ciências, e Christian Göschl da Academia Austríaca de Ciências.

O trabalho foi financiado pelo programa Lise Meitner do Austrian Science Fund (FWF) (M1826), pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais dos Institutos Nacionais de Saúde (R01GM127759), pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (31430095) e a Academia Austríaca de Ciências através do Instituto Gregor Mendel.

DOI: 10.1038/s41467-019-11892-5