Controlar a direção do crescimento das raízes pode ajudar a salvar colheitas e mitigar as alterações climáticas

Controlar a direção do crescimento das raízes pode ajudar a salvar colheitas e mitigar as alterações climáticas

Os cientistas da Salk descobriram que a via de sinalização de etileno altamente conservada pode ser direcionada para controlar a direção do crescimento das raízes, criando, por sua vez, sistemas radiculares mais profundos que retêm o carbono e removem o dióxido de carbono da atmosfera.

LA JOLLA — Acima do solo, as plantas estendem-se em direção ao sol. Abaixo do solo, as plantas fazem túneis através da terra. À medida que as raízes absorvem água e nutrientes do solo circundante, elas crescem e se esticam para desenvolver arquiteturas distintas de sistema radicular. A arquitetura do sistema radicular determina se as raízes permanecem nas camadas superficiais do solo ou se crescem mais íngremes e alcançam camadas mais profundas do solo. Os sistemas radiculares são fundamentais para a sobrevivência e produtividade das plantas, determinando o acesso da planta aos nutrientes e à água e, portanto, a capacidade da planta de resistir ao esgotamento de nutrientes e a condições meteorológicas extremas como a seca.

Agora, os cientistas da Salk determinaram como um conhecido hormônio vegetal é crucial no controle do ângulo em que as raízes crescem. O estudo, publicado em Cell Reports em 13 de fevereiro de 2024, é a primeira vez que o hormônio, chamado etileno, demonstrou estar envolvido na regulação dos ângulos laterais das raízes que moldam os sistemas radiculares - tornando as descobertas uma revelação para os cientistas de plantas que otimizam os sistemas radiculares.

Pesquisadores em Iniciativa de Aproveitamento de Plantas de Salk planeiam agora visar a via de sinalização do etileno nos seus esforços para desenvolver plantas e culturas que possam suportar as tensões ambientais das alterações climáticas e da seca, bem como remover o dióxido de carbono da atmosfera e armazená-lo no subsolo para ajudar a mitigar as alterações climáticas.

“As raízes profundas levam a um armazenamento de carbono mais durável no solo e podem tornar as plantas mais resistentes à seca, por isso a capacidade de controlar o crescimento das raízes profundas é realmente excitante para os cientistas que procuram desenvolver melhores sistemas radiculares”, diz o autor sénior. Wolfgang Busch, professor, diretor executivo da Harnessing Plants Initiative e Cátedra Hess em Ciência de Plantas na Salk. “Estamos especialmente entusiasmados com o fato de o caminho que encontramos ser conservado em muitos tipos de plantas, o que significa que nossas descobertas podem ser amplamente aplicadas para otimizar a arquitetura radicular em todas as plantas terrestres, incluindo alimentos, rações e culturas para combustível.”

Fatores ambientais – como precipitação média ou abundância de certos nutrientes – podem influenciar a forma do sistema radicular de uma planta. O ângulo em que as raízes crescem produz resultados diferentes na arquitetura geral da raiz, com ângulos de raiz horizontais criando um sistema radicular mais raso e ângulos de raiz verticais criando um sistema radicular mais profundo. Mas os cientistas não compreenderam claramente como estes ângulos das raízes estavam a ser determinados a nível molecular.

Hormônios vegetais como auxina e citocinina foram associados ao ângulo de crescimento das raízes no passado, mas os mecanismos dessa conexão permaneceram pouco compreendidos. Na busca por moléculas e caminhos envolvidos na definição do ângulo de crescimento da raiz, a equipe selecionou geneticamente Arabidopsis thaliana—uma pequena erva daninha da família da mostarda — para mudanças no sistema radicular em resposta a milhares de moléculas.

“Percebemos que esta molécula chamada mebendazol estava fazendo com que as raízes crescessem mais horizontalmente”, diz o primeiro autor Wenrong He, ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Busch. “Quando procuramos quais proteínas-alvo ou vias com as quais o mebendazol estava interagindo para ter esse efeito, descobrimos que era a sinalização do etileno – e o papel essencial do etileno na arquitetura do sistema radicular foi realmente intrigante.”

A equipe observou que os genes ao longo da via de sinalização do etileno foram ativados em resposta ao mebendazol e, por sua vez, a via realizava as alterações resultantes no crescimento das raízes. A investigação bioquímica desta relação revelou que o mebendazol inibe a atividade de uma proteína quinase chamada CTR1. Esta enzima regula negativamente a sinalização do etileno, por sua vez promovendo um sistema radicular raso.

“Como a sinalização do etileno é um processo amplamente conservado em plantas terrestres, direcionar a via do etileno é uma técnica muito promissora para a engenharia do sistema radicular”, diz Busch. “Esperamos que agora seremos capazes de usar esta ferramenta para tornar as espécies agrícolas mais resilientes e para criar Salk Ideal Plants® que sequestram mais carbono no subsolo para ajudar na luta contra as alterações climáticas.”

A implicação recente do etileno na arquitetura do sistema radicular inspira novas questões, incluindo se existe outra molécula que - ao contrário do mebendazol - torna os sistemas radiculares mais profundos, ou se existem genes específicos na já bem catalogada via de sinalização do etileno que podem ser direcionados de forma mais eficaz para promover raízes mais profundas nas culturas e Salk Ideal Plants.

Outros autores incluem Hai An Truong, Ling Zhang, Min Cao e Kaizhen Zhong de Salk; Neal Arakawa, da Universidade da Califórnia em San Diego; Yao Xiao, do Instituto de Pesquisa Scripps; e Yingnan Hou da UC Riverside e da Shanghai Jiao Tong University na China.

O trabalho foi apoiado pela Salk's Harnessing Plants Initiative, um Salk Women & Science Special Award, um Pioneer Fund Postdoctoral Scholar Award, os Institutos Nacionais de Saúde (NIH-NCI CCSG: P30 CA01495, NIH-NIA San Diego Nathan Shock Center P30 AG068635) , Fundação Chapman e Helmsley Charitable Trust.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.113763