O sistema de controle de danos celulares ajuda as plantas a resistir

O sistema de controle de danos celulares ajuda as plantas a resistir

LA JOLLA– À medida que a demanda por alimentos atinge níveis sem precedentes, os agricultores correm contra o tempo para cultivar plantas que resistam aos desafios ambientais – infestações, mudanças climáticas e muito mais. Agora, uma nova pesquisa do Instituto Salk, publicada na Ciência em 23 de outubro de 2015, revela detalhes de um mecanismo fundamental de como as plantas gerenciam sua ingestão de energia, que poderia ser potencialmente aproveitada para melhorar o rendimento.

“As plantas são únicas porque ficam presas onde quer que germinem, por isso devem usar várias maneiras de lidar com os desafios ambientais”, diz Joanne chory, autor sênior do artigo e diretor do Salk's Laboratório de Biologia Molecular e Celular Vegetal. “Entender as técnicas que as plantas usam para lidar com o estresse pode nos ajudar a projetar colheitas mais fortes com melhor rendimento para enfrentar nossa crescente escassez de alimentos.”

As plantas têm organelas celulares semelhantes a minúsculos painéis solares em cada folha. Essas estruturas microscópicas, chamadas cloroplastos, convertem a luz do sol em energia química para permitir o crescimento da planta. O centro de comando da célula, o núcleo, ocasionalmente envia sinais para destruir todos os 50-100 cloroplastos da célula, como no outono, quando as folhas ficam marrons e caem. No entanto, a equipe Salk descobriu como o núcleo da planta começa a degradar e reutilizar os materiais de cloroplastos selecionados e com defeito – um mecanismo que havia sido suspeitado, mas nunca mostrado até agora.

Nas plantas, os cloroplastos podem acumular altos níveis de oxigênio singleto tóxico, uma espécie reativa de oxigênio formada durante a fotossíntese. Nessas células, a maioria dos cloroplastos (organelas verdes) e mitocôndrias (organelas vermelhas) parecem saudáveis. No entanto, o cloroplasto no canto superior esquerdo da imagem está sendo degradado seletivamente e está interagindo com o vacúolo central (azul).

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Imagem: Cortesia do Salk Institute for Biological Studies

“Descobrimos um novo caminho que permite que uma célula faça uma verificação de controle de qualidade nos cloroplastos”, diz Jesse Woodson, cientista da Salk e primeiro autor do artigo. Os cloroplastos estão cheios de enzimas, proteínas e outros materiais que a planta pode usar se o cloroplasto estiver com defeito (por exemplo, criando materiais tóxicos) ou não for necessário.

Enquanto estudava uma versão mutante da planta modelo Arabidopsis, a equipe notou que a planta estava produzindo cloroplastos defeituosos que criavam uma molécula reativa e tóxica chamada oxigênio singleto que se acumulava nas células. A equipe notou que as células estavam marcando os cloroplastos danificados para degradação com uma marca de proteína chamada ubiquitina, que é usada em organismos de levedura a humanos para modificar a função de uma proteína. Sob investigação mais detalhada, a equipe observou que uma proteína chamada PUB4 estava iniciando a marcação.

“Os cloroplastos danificados estavam sendo revestidos por essa proteína ubiquitina”, diz Woodson. “Achamos que isso é fundamentalmente diferente do sinal de toda a célula, porque a célula quer continuar fazendo a fotossíntese, mas tem alguns cloroplastos ruins para atingir e remover”.

Jesse Woodson e Joanne Chory

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Imagem: Cortesia do Salk Institute for Biological Studies

Embora o PUB4 tenha sido associado à morte celular em outro trabalho, a equipe de Salk mostrou que essa proteína inicia a degradação dos cloroplastos colocando marcadores de ubiquitina para marcar a organela para reciclagem celular. Esse processo, diz Woodson, é como rotular painéis solares defeituosos para quebrá-los em outros materiais.

“Entender a biologia básica de plantas como essa degradação seletiva de cloroplastos nos leva um passo mais perto de aprender como controlar cloroplastos e projetar culturas mais resistentes a estressores”, diz Chory, que também é pesquisador do Howard Hughes Medical Institute e titular do Howard H. e Maryam R. Newman Chair em Biologia Vegetal. Por exemplo, se uma planta está crescendo em um ambiente bastante relaxado, pode-se potencialmente reduzir a degradação dos cloroplastos para aumentar o crescimento da planta. Ou, se o ambiente contiver muito sol, estimular a decomposição e regeneração dos cloroplastos pode ajudar a planta a prosperar.

Curiosamente, os cloroplastos também podem nos ajudar a entender nossos cérebros. Os neurônios têm organelas geradoras de energia semelhantes aos cloroplastos chamados mitocôndrias. “Recentemente, tornou-se evidente que as mitocôndrias são seletivamente degradadas na célula e que o acúmulo ruim de mitocôndrias pode levar a doenças como Parkinson e talvez Alzheimer”, diz Woodson. “Células, sejam vegetais ou animais, aprendem como degradar organelas de energia extintas seletivamente para sobreviver.”

Ao entender melhor esse processo nos cloroplastos, a equipe de Salk também pode obter informações sobre como as células lidam com o mau comportamento das mitocôndrias. “Até agora parece que pode ser um processo paralelo”, acrescenta Woodson. “Esperamos que, com nossas ferramentas moleculares e genéticas disponíveis para plantas, possamos continuar a descobrir conceitos gerais sobre como as células fazem essas verificações de controle de qualidade nas organelas e também aprender algo sobre doenças neurodegenerativas”.

Outros autores deste trabalho incluem Matthew S. Joens, Andrew B. Sinson, Jonathan Gilkerson e James A. Fitzpatrick do Salk Institute, e Patrice A. Salomé e Detlef Weigel do Instituto Max Planck para Biologia do Desenvolvimento.

A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA, Instituto Médico Howard Hughes e Howard H. e Maryam R. Newman.