Cientistas identificam milhares de genes de plantas ativados pelo gás etileno

Cientistas identificam milhares de genes de plantas ativados pelo gás etileno

A descoberta pela equipe liderada por Salk pode levar a melhores maneiras de controlar o crescimento e o amadurecimento de plantas agrícolas

LA JOLLA, CA—É do senso comum que uma maçã podre em um barril estraga todas as outras maçãs, e que uma maçã amadurece uma banana verde se elas forem colocadas juntas em um saco de papel. Maneiras de amadurecer ou estragar frutas são conhecidas há milhares de anos - como a Bíblia pode atestar -, mas agora os genes subjacentes a esses fenômenos da natureza foram revelados.

No jornal on-line eLIFE, um grande grupo internacional de cientistas, liderado por pesquisadores do Salk Institute for Biological Studies, rastreou os milhares de genes em uma planta que são ativados quando o etileno, um gás que atua como um hormônio de crescimento vegetal, é liberado.

Este estudo, a primeira análise genômica abrangente do gatilho biológico do etileno, pode levar a poderosas aplicações práticas, dizem os pesquisadores. O etileno não apenas ajuda a amadurecer frutas, mas também regula o crescimento e ajuda a defender uma planta contra patógenos, entre uma variedade de outras funções.

Provocar os genes específicos que executam cada uma dessas funções discretas dos muitos genes que foram ativados pelo etileno pode permitir que os cientistas produzam cepas de plantas que retardam o crescimento quando necessário, aceleram ou impedem o amadurecimento, retardam o apodrecimento ou tornam as plantas mais resistentes a doenças , diz o investigador sênior, José R. Ecker, de Salk Laboratório de Biologia Molecular e Celular Vegetal.

“Agora que conhecemos os genes que o etileno ativa, seremos capazes de identificar os principais genes e proteínas envolvidos em cada uma dessas ramificações, e isso pode nos ajudar a manipular as funções discretas que esse hormônio regula”, diz Ecker.

O hormônio gasoso etileno, também conhecido como hormônio do amadurecimento da fruta, “fala” com muitas das outras vias de controle do crescimento vegetal usando uma proteína chamada EIN3. A imagem exibe redes de genes para cada uma das principais vias de biossíntese, sinalização e resposta de hormônios vegetais e quais genes a proteína EIN3 “toca” (potencialmente regula).

Imagem: Cortesia de Katherine Chang, Instituto Salk de Estudos Biológicos

Ao que tudo indica, foi preciso um esforço hercúleo para decodificar os caminhos genéticos que o etileno ativa - um esforço que envolveu quatro instituições e 19 pesquisadores, muitos dos quais normalmente trabalham com biologia humana. Por exemplo, Ecker convidou a experiência do cientista da computação Ziv Bar-Joseph da Carnegie Mellon University, do especialista em transcrição Timothy Hughes da University of Toronto, bem como do biólogo computacional Trey Ideker e do genomicista Bing Ren da University of California, San Diego.

O estudo também representa um marco para Ecker, que dedicou sua carreira a entender o poder exercido pelo etileno vegetal.

“Tenho tentado, por várias décadas, entender como um simples gás – dois carbonos e quatro hidrogênios – pode causar mudanças tão profundas em uma planta”, diz Ecker. “Agora podemos ver que, ao alterar a expressão de uma proteína, o etileno produz ondas em cascata de ativação de genes que alteram profundamente a biologia da planta”.

Embora a planta que estudaram seja a Arabidopsis thaliana, relacionado ao repolho e à mostarda, o etileno funciona como um hormônio-chave em todas as plantas, acrescenta.

Os pesquisadores observaram o que acontece em Arabidopsis depois que o gás etileno causa a ativação de EIN3, um fator mestre de transcrição - uma proteína que controla a expressão gênica - que Ecker descobriu e clonou em 1997. EIN3 e uma proteína relacionada, EIL1, são necessários para a resposta ao gás etileno; sem essas proteínas, o etileno não tem efeito na planta.

“Queríamos saber como o etileno está realmente fazendo seu trabalho”, diz Ecker. “Uma vez que a planta responde ao etileno ativando o EIN3, o que acontece? Quais genes estão ativados? E o que esses genes estão fazendo?”

Usando uma técnica conhecida como ChIP-Seq, os pesquisadores expuseram Arabidopsis ao etileno e identificou todas as regiões do genoma da planta que se ligam ao EIN3, o que exigiu o uso de sequenciamento de última geração. Eles então usaram o sequenciamento de mRNA em todo o genoma para identificar os genes-alvo cuja expressão realmente muda devido à interação com EIN3. “Nem todos os genes visados ​​pelo EIN3 apresentam alterações em sua expressão gênica”, diz Ecker.

Eles descobriram que milhares de genes na planta responderam ao EIN3. Então os investigadores descobriram duas coisas interessantes. Primeiro, quando o EIN3 é ativado pelo etileno, ele volta a controlar os genes na via que foram usados ​​para ativar o fator de transcrição EIN3 em primeiro lugar. “Isso nos diz que uma fábrica que fabrica um regulador mestre crítico como o EIN3 deseja manter esse caminho de produção sob um controle muito rígido”, diz Ecker. “Não esperávamos isso, e agora isso nos dá uma estratégia para entender o controle genético de outros hormônios vegetais”.

A segunda descoberta é que o EIN3 tem como alvo todas as outras vias de sinalização hormonal na planta. Ecker oferece uma analogia para entender os motivos: “Imagine que você está em um estúdio de gravação e tem uma daquelas mesas à sua frente com todos aqueles interruptores. Se você começar a empurrar os dials para cima para um efeito sonoro, provavelmente irá abaixar o dial para outro som.

“Se o etileno diz a uma planta para parar de crescer, ele precisa controlar outros hormônios que estão dizendo à planta para crescer”, diz ele. “Descobrimos que cerca de metade dos alvos genômicos da proteína EIN3 são encontrados em outras vias de sinalização hormonal”.

O controle desses hormônios pelo EIN3 é muito complexo e é realizado em um período de 24 horas durante o qual ocorrem quatro ondas em cascata de regulação transcricional, diz Ecker.

Além de obter informações sobre como o etileno controla geneticamente diversas funções dentro de uma planta, ele acrescenta que as descobertas do estudo fornecem um modelo para decodificar o funcionamento de outros hormônios vegetais - nenhum dos quais foi tão bem estudado quanto o etileno.

“Aprender como as plantas coordenam as respostas hormonais é essencial para entender sua regulação do crescimento e desenvolvimento, seja na germinação de sementes, amadurecimento de frutos ou resposta à seca, insetos ou patógenos”, diz Katherine Chang, a primeira autora do artigo e pesquisadora. no laboratório de Ecker. “Dessa forma, o mapeamento de interconexões entre as vias hormonais pode ter implicações na agricultura.”

O estudo foi financiado por doações do Departamento de Energia (DE-FG03-00ER15113, DE-FG02-04ER15517), National Science Foundation (MCB-0924871), Canadian Institutes of Health Research (MOP-111007), National Science Foundation, Plant Biologia de Sistemas IGERT (DGE-0504645), The Gordon and Betty Moore Foundation (Grant GBMF3034), Gates Millennium Scholarship, National Institutes of Health (1RO1 GM085022), National Institutes of Health, NRSA (F32- HG004830), The Howard Hughes Medical Institute e a National Science Foundation (MCB-1024999).

Os co-autores incluem: Katherine Noelani Chang, Matthew T. Weirauch, Mattia Pelizzola, Hai Li, Robert J. Schmitz, Mark A. Ulrich, Hong Qiao, Abdullah-Jamali, Shao-Shan Carol Huang, Joseph R. Nery e Huaming Chen , de Salk; Gary Hon, Dwight Kuo, Trey Ideker e Bing Ren, da Universidade da Califórnia, San Diego; e Ally Yang, da Universidade de Toronto.

Sobre o Salk Institute for Biological Studies:
O Salk Institute for Biological Studies é uma das mais proeminentes instituições de pesquisa básica do mundo, onde professores de renome internacional investigam questões fundamentais das ciências da vida em um ambiente único, colaborativo e criativo. Com foco na descoberta e na orientação de futuras gerações de pesquisadores, os cientistas da Salk fazem contribuições inovadoras para nossa compreensão do câncer, envelhecimento, Alzheimer, diabetes e doenças infecciosas, estudando neurociência, genética, biologia celular e vegetal e disciplinas relacionadas.

As realizações do corpo docente foram reconhecidas com inúmeras honras, incluindo Prêmios Nobel e associações na Academia Nacional de Ciências. Fundado em 1960 pelo pioneiro da vacina contra a poliomielite Jonas Salk, MD, o Instituto é uma organização independente sem fins lucrativos e um marco arquitetônico.