Como as plantas se adaptam rapidamente às mudanças nas condições ambientais

Cientistas e jardineiros sabem há muito tempo que as plantas crescem mais alto e florescem mais cedo quando são sombreadas por vizinhos em crescimento próximo. Agora, pela primeira vez, pesquisadores do Instituto Salk mostraram o funcionamento interno detalhado desse processo.

O estudo, publicado em 17 de junho de 2021, na Nature Genetics, oferece uma nova compreensão de como a atividade genética direciona o crescimento das plantas e a rapidez com que as plantas respondem ao seu ambiente com mudanças nas condições de luz desencadeando mudanças moleculares em apenas cinco minutos. As descobertas fornecem insights sobre como aumentar o rendimento e salvaguardar a produção mundial de alimentos à medida que as mudanças climáticas encolhem a terra arável do planeta.

“Este artigo mostra, em alta resolução, como as plantas respondem a mudanças ambientais sutis no nível celular”, diz a coautora Joanne Chory, diretora do Laboratório de Biologia Molecular e Celular de Salk, pesquisadora do Instituto Médico Howard Hughes e titular da Cadeira Howard H. e Maryam R. Newman em Biologia Vegetal. “Trabalho que revele como as plantas podem se adaptar a maiores estresses ambientais será fundamental à medida que os efeitos das mudanças climáticas se intensificam.”

As plantas na sombra crescem cada vez mais altas em um esforço para romper o dossel e alcançar mais luz. Ao mesmo tempo, as condições de cultivo sombreadas fazem com que floresçam e produzam sementes mais cedo do que o normal, a fim de superar outras plantas. Essas respostas podem ser úteis para as flores silvestres que crescem em um prado, mas nas fazendas elas podem reduzir a produção e resultar em culturas amargas e de baixa qualidade  como qualquer jardineiro cuja alface fugiu sabe.

No novo estudo, os pesquisadores analisaram o papel de fatores específicos de transcrição na ativação dessa resposta ao crescimento. Fatores de transcrição são proteínas que ligam ou desligam genes por ligação ao DNA.

A equipe trabalhou com mudas mutantes sem fatores de transcrição chamados PIFs (fatores de interação fitocromática). Quando eles cultivaram essas plantas em um ambiente que simulava sombra, as plantas sem certos PIFs, não alongavam ou aceleravam seu crescimento, mas continuavam a crescer normalmente como se estivessem sob plena luz solar. Anteriormente, o laboratório Chory mostrou que o PIF7 desempenha o papel mais importante na regulação do crescimento induzido por sombra.

Os pesquisadores então analisaram de perto o papel das histonas nesse processo, em particular a variante histona H2A.Z. Histones são proteínas que agem como bobinas para fios de DNA. Quando as histonas são trocadas ou modificadas, elas podem trabalhar para ativar ou suprimir certos genes.

Os cientistas descobriram que a sombra do dossel levou à remoção da histona H2A. Z em genes reguladores de crescimento através da ligação de DNA de PIF7, que por sua vez ativou sua expressão.

Usando intervalos de tempo muito curtos para seus experimentos, os pesquisadores descobriram que o PIF7 é ativado, liga seus genes alvo e inicia a remoção do H2A. Z, tudo nos primeiros 5 minutos da planta experimentando sombra do dossel.

“Nosso estudo descreve mais um passo para uma compreensão mecanicista de como as plantas alteram sua expressão genética em resposta a um ambiente em mudança”, diz o coautor Joseph Ecker, pesquisador do Instituto Médico Howard Hughes e professor do Laboratório de Análise Genômica de Salk.

Estudos anteriores identificaram PIFs e H2A. Z como tendo papéis importantes nas respostas de plantas expostas a altas temperaturas; no entanto, o momento dos eventos não era conhecido, observa o coautor Björn Willige, especialista em pesquisa do Instituto Médico Howard Hughes no laboratório Chory.

“Nosso estudo revela o mecanismo em detalhes e também mostra a rapidez da resposta. Descobrimos que quando o PIF7 está ativo, ele se liga ao DNA. E nossos dados indicam que isso leva à remoção do H2A. Z do DNA. Posteriormente, os genes são ativados e, em seguida, isso induz o crescimento, a superar as plantas vizinhas”, diz Willige.

A velocidade do processo foi inesperada, diz o coautor Mark Zander, professor assistente do Instituto Waksman de Microbiologia da Universidade Rutgers. Ele observou que, além de desencadear a resposta ao estresse em cinco minutos, a paisagem histone também se recuperou rapidamente quando a sombra foi removida.

“Quando removemos a sombra, os níveis de H2A. Z no PIF7 os genes alvo voltaram ao normal em 30 minutos”, diz ele. “Fiquei surpreso com a dinâmica do processo, que é realmente a base para a elegância do nosso estudo.”

Os PIFs desempenham papéis significativos no crescimento, desenvolvimento e defesa de pragas das plantas. Portanto, a equipe espera que suas descobertas possam ser traduzidas para outras respostas vegetais que são importantes para os agricultores, especialmente em relação a ajudar as plantas a serem mais resistentes às mudanças climáticas. A Iniciativa de Aproveitamento de Plantas do Instituto Salk busca ajudar a resolver as mudanças climáticas, otimizando a capacidade natural das plantas de capturar e armazenar carbono.

Fonte PHYS ORG