Nutrientes essenciais ajudam as plantas a vencer o calor

Nutrientes essenciais ajudam as plantas a vencer o calor

Os cientistas de Salk descobrem que temperaturas mais altas drenam nutrientes importantes da dieta das plantas; as descobertas serão usadas para projetar culturas mais resistentes às mudanças climáticas

LA JOLLA — As temperaturas globais estão a aumentar, com os especialistas a preverem um aumento de 2.7°F até 2050. Dado que as plantas não conseguem regular as suas próprias temperaturas, são especialmente sensíveis a estas mudanças de temperatura. Em temperaturas mais elevadas, as plantas instruem os seus sistemas radiculares a crescer mais rapidamente, criando raízes longas que se estendem pelo solo para absorver mais água e nutrientes. Embora esta resposta possa ajudar as plantas a curto prazo, novas pesquisas sugerem que é insustentável para as plantas e potencialmente prejudicial para os seres humanos a longo prazo.

Investigadores do Instituto Salk descobriram que quando certas plantas respondem a altas temperaturas com rápido crescimento radicular, estão a reduzir os seus níveis de dois nutrientes importantes – nitrogénio e fósforo – o que as torna menos nutritivas quando consumidas. Ao mesmo tempo, se o solo contém baixas quantidades destes nutrientes, as plantas voltam a ter um crescimento radicular mais lento e não respondem adequadamente às temperaturas mais elevadas.

Os novos detalhes moleculares desta interação entre o crescimento das raízes e a disponibilidade de nutrientes em face de altas temperaturas informarão a engenharia do Salk Ideal Plants® - uma coleção de trigo, arroz, milho e outras culturas que capturam carbono e são resistentes às mudanças climáticas. por Salk’s Iniciativa de Aproveitamento de Plantas.

Os resultados foram publicados em Natureza das Comunicações de junho 1, 2024.

“O aquecimento global levará a um aumento significativo das temperaturas na Terra, e as plantas irão inevitavelmente responder”, diz Salk Professor. Wolfgang Busch, autor sênior do estudo, diretor executivo da Harnessing Plants Initiative e presidente da Hess em Ciência de Plantas. “O facto de as temperaturas mais elevadas esgotarem estes nutrientes importantes nas plantas é uma preocupação real para o futuro das dietas humanas e animais, e certamente algo que queremos ter em conta enquanto trabalhamos para conceber culturas mais resilientes.”

O crescimento e o desenvolvimento das plantas mudam com base nas temperaturas ambientais em um processo conhecido como termomorfogênese. Para obter uma compreensão mais profunda deste processo, os pesquisadores da Salk analisaram Arabidopsis thaliana, uma pequena planta com flores da família da mostarda. Nos primeiros experimentos, eles notaram que a parte aérea da planta, chamada de broto, crescia mais quando exposta a altas temperaturas. Isto levou a equipe de Salk a se perguntar como essas temperaturas afetavam as raízes da planta e se as culturas agrícolas, como o arroz ou a soja, poderiam responder de forma semelhante.

Para responder a essas perguntas, os pesquisadores aumentaram a temperatura e observaram o crescimento das raízes das plantas de Arabidopsis, do arroz e da soja. Assim como Arabidopsis o crescimento da parte aérea acelerou sob altas temperaturas, suas raízes, assim como as raízes do arroz e da soja, aceleraram a visão deles crescimento. Mas havia uma ressalva: o rápido crescimento dependia do acesso abundante ao nitrogênio e ao fósforo no solo.

“O nitrogênio e o fósforo são cruciais para o crescimento, desenvolvimento e reprodução das plantas, por isso já estão na maioria dos fertilizantes”, diz Sanghwa Lee, primeiro autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Busch. termomorfogênese, agora podemos trabalhar para projetar plantas e otimizar fertilizantes que garantam que o crescimento não seja limitado pela falta de nitrogênio e fósforo em futuras temperaturas mais altas.”

In Arabidopsis, a relação entre o crescimento mais rápido das raízes e os níveis de nitrogênio e fósforo dependia de duas proteínas: HY5 e NRT1.1. HY5 é um fator de transcrição, um tipo de proteína que regula quando genes específicos serão “ligados” ou “desligados”. HY5 supervisiona as instruções genéticas para NRT1.1, uma proteína que detecta nitrogênio e está envolvida na regulação dos níveis de fósforo e na coordenação do crescimento das raízes das plantas.

Em altas temperaturas, HY5 e NRT1.1 trabalham juntos para conduzir a termomorfogênese. Mas à medida que os níveis de nitrogênio e fósforo caem, o HY5 começa a suprimir a expressão de NRT1.1 e o crescimento das raízes diminui.

Tanto o arroz quanto a soja possuem proteínas semelhantes que compartilham um ancestral genético comum com HY5 e NRT1.1. Busch diz que as versões de arroz e soja de HY5 e NRT1.1 exigirão mais investigação, mas provavelmente afetarão o crescimento das raízes e a absorção de nutrientes de forma semelhante a Arabidopsis' HY5 e NRT1.1.

“Agora está claro que o nitrogênio e o fósforo são fundamentais para controlar o crescimento das raízes sob o estresse de temperaturas mais altas”, diz Busch. “Será crucial considerar isto à medida que trabalhamos para superar os desafios que o aquecimento global coloca à produção em grande escala de alimentos nutritivos para uma população global crescente.”

No futuro, os pesquisadores investigarão mais profundamente o arroz, a soja e outras culturas para determinar se suas proteínas semelhantes a HY5 e NRT1.1 reagem de forma semelhante. Eles também procurarão maneiras de direcionar essas proteínas e desenvolver culturas que possam continuar a desenvolver raízes mesmo quando o nitrogênio e o fósforo estiverem acabando.

Outros autores incluem Julia Showalter e Ling Zhang da Salk, bem como Gaëlle Cassin-Ross e Hatem Rouached da Michigan State University.

O trabalho foi apoiado pela Salk Harnessing Plants Initiative e pela Michigan State University.

DOI: 10.1038/s41467-024-49180-6