A proteção de raiz dois em um protege as plantas dos estressores ambientais e combate as mudanças climáticas

A proteção de raiz dois em um protege as plantas dos estressores ambientais e combate as mudanças climáticas

A nova análise de células individuais de Salk fornece uma primeira visão detalhada da camada externa protetora das raízes das plantas e das células de captura de carbono

LA JOLLA—As plantas podem se enterrar no solo e se esticar em direção ao sol, mas, no fim das contas, ficam presas onde brotam — à mercê de ameaças ambientais como temperatura, seca e infecção microbiana. Para compensar sua incapacidade de se levantar e se mover quando o perigo ataca, muitas plantas desenvolveram maneiras de se proteger alterando sua fisiologia, como construir uma armadura ao redor de partes de seu corpo e raízes chamadas periderme. No entanto, como muitos biólogos de plantas que estudam o desenvolvimento dos tecidos observam plantas jovens, o desenvolvimento do periderme em fases posteriores da vida permanece relativamente inexplorado.

Pesquisadores do Instituto Salk estrearam o primeiro atlas abrangente de expressão genética do periderme da planta no nível de célula única. O atlas fornece novas informações sobre os diferentes tipos de células que compõem o periderme e quais genes específicos e processos biológicos controlam seu desenvolvimento. Isso inclui insights importantes sobre as células do felema, que são ricas em suberina — uma molécula que ajuda a capturar e armazenar o excesso de carbono da atmosfera por um longo tempo. Os cientistas agora podem usar essas informações para estimular o crescimento do periderme protetor em plantas que enfrentam estresse ambiental devido às mudanças climáticas. Eles também podem potencialmente impulsionar os genes de crescimento das células do felema para produzir plantas com habilidades aprimoradas de captura e armazenamento de carbono — um objetivo central do Salk Iniciativa de Aproveitamento de Plantas.

Os resultados foram publicados em Célula de Desenvolvimento em janeiro 9, 2025.

“As plantas desempenham um papel crucial na captura de carbono da atmosfera e no seu armazenamento no solo”, afirma o professor Wolfgang Busch, autor sênior do estudo, diretor da Iniciativa Harnessing Plants e titular da Cátedra Hess em Ciência Vegetal na Salk. “A camada externa protetora das raízes das plantas, chamada periderme, é composta de muitas células que podem armazenar carbono em uma forma que será muito durável. Ao criar um mapa detalhado de como essas células da raiz se formam e amadurecem, podemos entender melhor e potencialmente encorajar esse processo para ajudar as plantas a reter mais carbono em formas altamente duráveis. Ao fazer isso, podemos criar plantas mais resilientes com raízes mais resistentes que também nos ajudam a combater as mudanças climáticas.”

Quando uma planta cria raízes pela primeira vez, ela se dedica ao crescimento primário, focando no comprimento das novas raízes. Com a maturidade, vem o crescimento secundário, mudando o foco para o espessamento das raízes existentes e criando uma armadura de periderme. Essa periderme protetora contém células de felema, felogênio e feloderme, cada uma com responsabilidades distintas e perfis genéticos que ainda não foram totalmente descritos em estudos anteriores.

Dessas várias células periderme, a equipe estava mais interessada nas células do felema por causa de seu alto teor de suberina. A suberina é central para a Iniciativa de Aproveitamento de Plantas de Salk, na qual cientistas otimizam plantas para servir como um método natural e sustentável de sequestro de carbono. Infelizmente, o carbono armazenado em folhas e caules pode se degradar rapidamente e ser facilmente liberado novamente na atmosfera. Em contraste, a suberina nas raízes de uma planta pode reter carbono profundamente no solo por longos períodos de tempo. A suberina também demonstrou tornar as plantas mais resistentes à podridão das raízes, indicando que ela serve a um propósito protetor além do armazenamento de carbono.

Estudos anteriores de periderme consistiram em análises em massa que, apesar de fornecerem insights valiosos, não foram capazes de capturar a especificidade do tipo de célula. Para corrigir isso, a equipe de Salk aplicou técnicas modernas de sequenciamento de células únicas que puderam capturar os perfis genéticos distintos de cada tipo de célula de periderme. Eles também monitoraram como a expressão genética mudou à medida que cada tipo de célula se desenvolveu nas raízes de Arabidopsis thaliana—uma erva daninha com flores da família da mostarda comumente usada em pesquisas de plantas.

“Coletar esse nível de detalhes em plantas maduras ao longo do tempo nunca foi alcançado antes”, diz a primeira autora Charlotte Miller, uma cientista pesquisadora no laboratório de Busch. “Outros estudos trituram raízes inteiras e as estudam em massa, mas a análise de células únicas nos permitiu entender o desenvolvimento genético de cada tipo de célula individual no periderme. Isso significa que podemos ser muito mais precisos e eficientes na engenharia de plantas robustas, resilientes e que combatem as mudanças climáticas.”

O sequenciamento do curso temporal de células únicas dos pesquisadores revelou que o desenvolvimento das células do felema pode ser dissecado em múltiplas fases geneticamente distintas, mas interconectadas. Esse desenvolvimento gradual foi marcado por genes-chave como MYB67, que a equipe descobriu que estava desempenhando um grande papel na regulação do processo de desenvolvimento.

Ao juntar os perfis genéticos das células em diferentes períodos de seu desenvolvimento, a equipe espera eventualmente determinar um gene ou conjunto de genes que possam ser usados ​​para incentivar as plantas a produzir mais células de felema, conter mais suberina e capturar carbono mais durável.

O atlas do periderme também rendeu insights importantes sobre outras células não-felema. Esses dados ajudarão a esclarecer os estágios de transição no desenvolvimento do periderme, como as células do felogênio dão origem às células do felogênio. Miller está particularmente animado para continuar estudando essas células do felogênio, observando que sua capacidade semelhante à de células-tronco de se diferenciar em outros tipos de células tão tarde no desenvolvimento da planta é surpreendente.

Quanto a Busch, ele está ansioso para ver como as células que contêm suberina tapam buracos feitos pelo novo crescimento de raízes laterais — um processo destrutivo em que novas raízes rompem a pele das plantas. Essas células responsivas e ricas em suberina podem não fazer parte do periderme, mas saber mais sobre os tipos de células do periderme e o conteúdo de suberina pode ajudar na compreensão futura desse processo de criação de raízes, em que os sistemas de raízes se ramificam extensivamente, evitando infecções.

“Nosso trabalho não apenas promove a ciência das plantas, mas também abre as portas para a criação de culturas mais robustas e melhora o sequestro de carbono pelas raízes das plantas, fornecendo soluções para os desafios agrícolas e climáticos, que é um objetivo fundamental da Iniciativa de Aproveitamento de Plantas da Salk”, diz Busch.

Outros autores incluem Sean Jarrell-Hurtado, Manisha Haag, Y. Sara Ye, Mathew Simenc, Paloma Alvarez-Maldonado, Sara Behnami, Ling Zhang, Joseph Swift, Ashot Papikian, Jingting Yu, Kelly Colt, Joseph Ecker, Todd Michael e Julie Law de Salk.

O trabalho foi apoiado pelo Bezos Earth Fund, Hess Corporation e TED Audacious Project.

DOI: 10.1016/j.devcel.2024.12.025