Como as plantas se adaptam rapidamente às mudanças nas condições ambientais

Como as plantas se adaptam rapidamente às mudanças nas condições ambientais

Os cientistas da Salk descobrem que a sombra do dossel de plantas concorrentes desencadeia mudanças celulares em menos de cinco minutos

LA JOLLA - Cientistas - e jardineiros - há muito sabem que as plantas crescem mais altas e florescem mais cedo quando são sombreadas por vizinhos de crescimento próximo. Agora, pela primeira vez, pesquisadores do Salk Institute mostraram o funcionamento interno detalhado desse processo.

O estudo, publicado em 17 de junho de 2021, na Nature Genetics, oferece uma nova compreensão de como a atividade gênica direciona o crescimento das plantas e a rapidez com que as plantas respondem ao seu ambiente - com mudanças nas condições de luz desencadeando mudanças moleculares em menos de cinco minutos. As descobertas fornecem informações sobre como aumentar o rendimento e proteger a produção mundial de alimentos à medida que a mudança climática reduz as terras aráveis ​​do planeta.

“Este artigo mostra, em alta resolução, como as plantas respondem a mudanças ambientais sutis no nível celular”, diz o co-autor correspondente Joanne chory, diretor do Laboratório de Biologia Molecular e Celular de Salk, pesquisador do Instituto Médico Howard Hughes e titular da Cátedra Howard H. e Maryam R. Newman em Biologia Vegetal. “O trabalho que revela como as plantas podem se adaptar a maiores tensões ambientais será crítico à medida que os efeitos das mudanças climáticas se intensificam.”

As plantas na sombra crescem mais rápido e mais alto em um esforço para romper o dossel e alcançar mais luz. Ao mesmo tempo, as condições de crescimento sombreadas fazem com que floresçam e produzam sementes mais cedo do que o normal, para competir com outras plantas. Essas respostas podem ser úteis para flores silvestres crescendo em um prado, mas em fazendas elas podem reduzir a produção e resultar em safras amargas e de baixa qualidade - como sabe qualquer jardineiro cuja alface tenha murchado.

No novo estudo, os pesquisadores analisaram o papel de fatores de transcrição específicos na ativação dessa resposta de crescimento. Fatores de transcrição são proteínas que ativam ou desativam genes por ligação ao DNA.

A equipe trabalhou com mudas mutantes sem fatores de transcrição chamados PIFs (PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORs). Quando cultivavam essas plantas em um ambiente que simulava sombra, as plantas sem certos PIFs não alongavam ou aceleravam seu crescimento, mas continuavam a crescer normalmente como se estivessem em pleno sol. Anteriormente, o laboratório Chory mostrou que o PIF7 desempenha o papel mais importante na regulação do crescimento induzido pela sombra.

Os pesquisadores então examinaram mais de perto o papel das histonas nesse processo, em particular a variante de histona H2A.Z. As histonas são proteínas que agem como carretéis para fitas de DNA. Quando as histonas são trocadas ou modificadas, elas podem funcionar para ativar ou suprimir certos genes.

Os cientistas descobriram que a sombra do dossel levou à remoção da histona H2A.Z em genes reguladores de crescimento através da ligação de DNA de PIF7, que por sua vez ativou sua expressão.

Usando intervalos de tempo muito curtos para seus experimentos, os pesquisadores descobriram que o PIF7 é ativado, liga seus genes-alvo e inicia a remoção de H2A.Z, tudo nos primeiros 5 minutos após a planta experimentar a sombra do dossel.

“Nosso estudo descreve outro passo em direção a uma compreensão mecanicista de como as plantas alteram sua expressão gênica em resposta a um ambiente em mudança”, diz o co-autor correspondente José Ecker, um investigador do Instituto Médico Howard Hughes e professor no Laboratório de Análise Genômica de Salk.

Estudos anteriores identificaram PIFs e H2A.Z como tendo papéis importantes nas respostas de plantas expostas a altas temperaturas; no entanto, o momento dos eventos não era conhecido, observa o coautor Björn Willige, especialista em pesquisa do Howard Hughes Medical Institute no laboratório Chory.

“Nosso estudo revela o mecanismo em detalhes e também mostra a natureza rápida da resposta. Descobrimos que quando o PIF7 está ativo, ele se liga ao DNA. E nossos dados indicam que isso leva à remoção de H2A.Z do DNA. Posteriormente, os genes são ativados e isso induz o crescimento, para superar as plantas vizinhas”, diz Willige.

A velocidade do processo foi inesperada, diz o coautor Mark Zander, professor assistente do Waksman Institute of Microbiology da Rutgers University. Ele observou que, além de desencadear a resposta ao estresse em cinco minutos, a paisagem de histonas também se recuperou rapidamente quando a sombra foi removida.

“Quando removemos a sombra, os níveis de H2A.Z nos genes-alvo PIF7 voltaram ao normal em 30 minutos”, diz ele. “Fiquei surpreso com a dinâmica do processo, que é realmente a base para a elegância do nosso estudo.”

Os PIFs desempenham papéis significativos no crescimento, desenvolvimento e defesa de plantas contra pragas. Portanto, a equipe espera que suas descobertas possam ser traduzidas para outras respostas das plantas que são importantes para os agricultores, especialmente em relação a ajudar as plantas a serem mais resistentes às mudanças climáticas. do Instituto Salk Iniciativa de Aproveitamento de Plantas procura ajudar a resolver a mudança climática otimizando a capacidade natural das plantas de capturar e armazenar carbono.

Outros autores do estudo foram Chan Yul Yoo, da Oklahoma State University; Amy Phan, Renee M. Garza, Shelly A. Trigg, Yupeng He, Joseph Nery e Huaming Chen de Salk; e Meng Chen da Universidade da Califórnia, Riverside.

A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation, pelo Departamento de Energia dos EUA, pela Gordon and Betty Moore Foundation, pelo National Institutes of Health, pelo Howard Hughes Medical Institute, pela European Molecular Biology Organization, pelo Human Frontier Science Program e pela Deutsche Forschungsgemeinschaft.

DOI: 10.1038/s41588-021-00882-3