Segredos da fotossíntese do quillwort podem aumentar a eficiência das culturas

Segredos da fotossíntese do quillwort podem aumentar a eficiência das culturas

Pesquisadores exploram como as plantas aquáticas regulam a fotossíntese para competir pelo dióxido de carbono debaixo d'água

LA JOLLA—Os humildes quillworts são um grupo antigo de cerca de 250 pequenas plantas aquáticas que foram amplamente ignoradas pelos botânicos modernos. Agora, os cientistas de Salk, juntamente com pesquisadores do Boyce Thompson Institute, sequenciaram o primeiro genoma da quillwort e descobriram alguns segredos do método único de fotossíntese da planta - segredos que podem eventualmente levar à engenharia de culturas com uso mais eficiente da água e captura de carbono. para enfrentar as mudanças climáticas. As descobertas foram publicadas em Natureza das Comunicações Em novembro 3, 2021.

“As plantas são realmente incríveis no desenvolvimento de novas estratégias para extrair recursos como o carbono de seu ambiente”, diz o co-autor correspondente Todd Michael, professor pesquisador do Laboratório de Biologia Celular e Molecular Vegetal. “Ao explorar essa engenhosidade em uma variedade de plantas únicas, como isoetes estamos desenvolvendo uma caixa de ferramentas para projetar plantas do futuro para reduzir mais carbono.”

A maioria das plantas respira dióxido de carbono (CO₂) durante o dia e usar a luz do sol para transformar o gás em açúcares. Mas as plantas em regiões áridas evoluíram para respirar CO₂ à noite em vez disso. Essa estratégia – chamada fotossíntese CAM – ajuda as plantas a evitar a perda de água durante o dia.

Quarenta anos atrás, quillworts - plantas do gênero isoetes— tornou-se o primeiro grupo de plantas aquáticas descoberto a usar a fotossíntese CAM. A perda de água diurna claramente não é um problema para as plantas aquáticas. Em vez disso, os quillworts usam CAM para coletar CO₂ dissolvido em água e armazená-lo durante a noite, para evitar a competição com outras plantas e organismos aquáticos, como algas, que esgotam os níveis de gás da água durante o dia.

“Como plantas aquáticas, isoetes desenvolveram a fotossíntese CAM em um ambiente fundamentalmente diferente das plantas terrestres em habitats secos”, diz o co-autor correspondente Fay Wei Li, professor assistente no Boyce Thompson Institute e professor assistente adjunto na Cornell University.

Para investigar os mecanismos genéticos que regulam o processo de fotossíntese CAM dos quillworts, a equipe montou um genoma para as espécies de quillwort Isoetes taiwanensis. A equipe usou o genoma para identificar os genes da via CAM e examinar seus padrões de atividade (o que os cientistas chamam de expressão gênica), incluindo como esses padrões mudaram ao longo do ciclo dia/noite. Uma diferença notável entre CAM em quillworts e plantas terrestres está na função da enzima fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPC). Todas as plantas possuem dois tipos de PEPC: tipo vegetal, há muito conhecido por seu papel essencial na fotossíntese; e do tipo bacteriano, que se assemelha ao PEPC encontrado em bactérias.

“Em todas as outras plantas, o PEPC do tipo bacteriano desempenha um papel em uma série de processos metabólicos, mas não na fotossíntese”, disse David Wickell, estudante de pós-graduação no laboratório de Li e primeiro autor do estudo. "Em isoetes, ambos os tipos parecem estar envolvidos na CAM - algo que não foi encontrado em nenhuma outra planta e aponta para um papel distinto do PEPC do tipo bacteriano na CAM aquática.”

As plantas têm um mecanismo interno de temporização chamado relógio circadiano que garante que os processos biológicos ocorram no tempo correto. Em trabalhos anteriores, o laboratório de Michael mostrou que quase toda a expressão gênica é controlada pelo relógio circadiano e que esse mecanismo era compartilhado por todas as plantas testadas. isoetes são as primeiras plantas até agora que possuem um sistema circadiano único com níveis de expressão de alguns reguladores de tempo atingindo o pico em diferentes momentos do dia. As descobertas fornecem informações críticas sobre os novos mecanismos que as plantas utilizam para capturar carbono.

Os resultados podem ser usados ​​para projetar culturas para melhor suportar as tensões ambientais. Wickell diz que a ideia é empolgante, mas a chave seria manipular os genes do relógio circadiano que regulam os componentes do CAM para ajudar as plantas a se tornarem mais eficientes na conservação da água ou no melhor uso do CO disponível.₂.

Outros autores incluem Nolan T. Hartwick de Salk; Li-Yaung Kuo da Universidade Nacional Tsing Hua em Taiwan; Hsiao-Pei Yang do Instituto Boyce Thompson; Amra Dhabalia Ashok, Iker Irisarri, Armin Dadras, Sophie de Vries e Jan de Vries da Universidade de Goettingen na Alemanha; Yao-Moan Huang do Instituto de Pesquisa Florestal de Taiwan; Zheng Li da Universidade do Texas em Austin; e Michael S. Barker da Universidade do Arizona.

O trabalho foi financiado pelo Instituto Boyce Thompson, pelo Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) e pela Escola Internacional de Pesquisa Max Planck (IMPRS) para a Ciência do Genoma.

Postado por cortesia do Instituto Boyce Thompson.

Sobre o Instituto Boyce Thompson:
Inaugurado em 1924, o Boyce Thompson Institute é uma importante instituição de pesquisa em ciências da vida localizada em Ithaca, Nova York. Os cientistas da BTI conduzem investigações em pesquisas fundamentais de plantas e ciências da vida com o objetivo de aumentar a segurança alimentar, melhorar a sustentabilidade ambiental na agricultura e fazer descobertas básicas que melhorarão a saúde humana. Ao longo deste trabalho, a BTI está empenhada em inspirar e educar os alunos e em fornecer treinamento avançado para a próxima geração de cientistas. O BTI é um instituto de pesquisa independente sem fins lucrativos que também é afiliado à Cornell University. Para mais informações por favor visite BTIscience.org.

DOI: 10.1038/s41467-021-26644-7