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Botânica

Engrenagens do tempo

Biólogos do Brasil e da Inglaterra detalham a composição e o funcionamento do relógio biológico das plantas

EDUARDO CESARCom hora marcada: folhas abrem em ciclos de 24 horasEDUARDO CESAR

Em 1729 o astrônomo francês Jean Jacques d’Ortous de Mairan fez uma descoberta importante em biologia. Ao lado da luneta que usava para observar os astros, ele mantinha um vaso com a planta Mimosa pudica, a popular sensitiva ou dormideira, que fecha suas folhas miúdas quando alguém as toca. De Marian notou que nem sempre era preciso roçar suas folhas para que se recolhessem – à noite se fechavam naturalmente e voltavam a abrir-se quando o dia clareava. Por curiosidade, ele colocou a planta em baú fechado, que guardou em um porão escuro. Para sua surpresa, mesmo sem luz ela continuava a abrir e fechar suas folhas como se preservasse uma memória da duração do dia e da noite. Um século e meio mais tarde o botânico alemão Wilhelm Pfeffer concluiria que os movimentos da Mimosa pudicana escuridão constante tinham origem em um mecanismo interno da planta: o chamado relógio biológico, um conjunto de genes, proteínas e outras moléculas que regula o ritmo de fenômenos físicos e químicos – a exemplo do movimento das folhas, a abertura das flores ou a produção de açúcares (fotossíntese) – e os mantém em sincronia com mudanças no ambiente como a duração do dia ou a mudança das estações do ano.

Séculos depois dos primeiros experimentos, uma série de estudos recentes conduzidos na Universidade de Cambridge, na Inglaterra, com a participação de um pesquisador brasileiro, traz uma nova compreensão sobre o funcionamento e a composição do relógio biológico das plantas.

Até pouco tempo atrás se pensava que o funcionamento do relógio biológico fosse regulado apenas por um conjunto de cerca de dez genes e as proteínas por eles produzidas. Experimentos liderados por Alex Webb, do Departamento de Ciências das Plantas, de Cambridge, mostraram que não é bem assim. O grupo, do qual fez parte o biólogo brasileiro Carlos Hotta, descobriu que na verdade o relógio biológico dos vegetais é ajustado por moléculas muito menores, como a adenosina difosfato ribose cíclica (ADPRc), já conhecida por sinalizar para as plantas situações ambientais extremas como escassez de água, falta ou excesso de luz solar, ausência de nutrientes no solo e frio ou calor intensos.

“Já sabíamos que a ADPRc era responsável por ativar parte dos mecanismos de proteção da planta, entre eles o fechamento de pequenos poros existentes nas folhas para evitar a perda de água”, diz Hotta, que teve papel fundamental no planejamento, na condução e na análise dos resultados da pesquisa realizada durante seu doutorado em Cambridge entre 2003 e 2007. “Agora vimos que a ADPRc também pode incorporar informações sobre mudanças ambientais ao relógio biológico que regula a fisiologia das plantas”, afirma o biólogo, que faz pós-doutorado no Instituto de Química da Universidade de São Paulo (IQ-USP), um dos autores do artigo que descreveu o achado em dezembro passado na Science.

Esse trabalho altera de modo importante a compreensão de como funcionam os relógios biológicos, com possíveis implicações até na agricultura. “Demonstramos que uma parte do mecanismo de marcação do tempo depende de moléculas pequenas como a ADPRc e não apenas de genes ou proteínas”, afirma Hotta. “É uma pequena mudança de paradigma.” Se antes os pesquisadores prestavam atenção apenas aos níveis de atividade dos genes, de agora em diante terão de aprender também como essas moléculas se comportam no interior das células vegetais e contribuem para o ajuste do relógio biológico.

A participação da ADPRc como engrenagem desse mecanismo de medição do tempo permite, por exemplo, compreender por que as plantas se adaptam tão rapidamente a alterações no ambiente como variação na temperatura ou na luz solar. Por ser muito pequena a ADPRc é produzida pelas células em questão de minutos, enquanto a fabricação de uma proteí­na, milhares de vezes maior, consome horas. “Essa molécula parece atuar na regulação fina do relógio biológico”, comenta Hotta.

Já se sabia que, em mamíferos, a ADPRc se liga a canais de organelas celulares que armazenam cálcio, abrindo-os. Como um interruptor, o cálcio liberado ativa e desativa uma série de proteínas, funcionando como uma espécie de mensageiro químico. Também havia evidências de que funcionava da mesma forma nas plantas, controlando a abertura e fechamento dos poros (estômatos) das folhas, o crescimento dos pêlos das raízes e a fecundação das flores.

Hotta, aliás, iniciou seu doutorado interessado em investigar a função do cálcio, e não da ADPRc, nas células vegetais. “Meu objetivo era descobrir se esse elemento químico influenciava o funcionamento do relógio biológico”, explica. Estudos anteriores mostraram que os níveis de cálcio nas células das plantas variam no decorrer do dia, aumentando no período de luz e baixando no escuro, em um padrão que se repete a cada 24 horas – razão por que esse ritmo é conhecido como circadiano, ou seja, que oscila no período de aproximadamente um dia. Mas não se conhecia o efeito provocado por essa variação. “Até então se pensava que o relógio biológico mandava informações para as células, usando o cálcio como mensageiro”, conta o biólogo. Para  surpresa do grupo, os experimentos revelaram que a função do cálcio não é regular a fotossíntese ou outros processos. Esse elemento químico integra o próprio relógio biológico, como se fosse uma engrenagem do centro desse mecanismo de marcação do tempo. “Há uma retroalimentação nesse processo, isto é, a ADPRc controla o relógio e ao mesmo tempo é controlada por ele”, diz Hotta.

EDUARDO CESARProdução de frutos: em sincronia com mudança na duração do diaEDUARDO CESAR

Para chegar a essa conclusão, os pesquisadores usaram drogas que bloquearam a produção do ADPRc na Arabidopsis thaliana, erva da família das mostardas adotada como modelo para estudar diversos fenômenos em biologia. A ausência de ADPRc retardou o mecanismo de marcação do tempo. Os ciclos de movimentação das folhas, o uso de açúcares na produção de energia ou a abertura e fechamento dos estômatos, que antes se repetiam a cada 24 horas, passaram a durar até 27 horas. “Todos os ritmos dependentes do relógio que medimos se tornam mais lentos”, afirma Hotta. “Isso nos ajudou a concluir que a ADPRc é parte desse sistema de medição do tempo que ajuda a otimizar o crescimento da planta.”

O ajuste rápido do sistema permite à planta se preparar de antemão para mudanças no ambiente e estar pronta, por exemplo, para capturar gás carbônico e iniciar a fixação de açúcares (fotossíntese) antes do amanhecer, em vez de pôr esse processo em andamento só depois de perceber os primeiros raios de sol. Esse mesmo mecanismo torna possível a produção de moléculas que protegem as folhas da radiação ultravioleta antes que o sol esteja mais forte no meio do dia.

Como a ADPRc ajusta o que os bió­logos chamam de período do relógio – tempo que um fenômeno leva para se repetir –, acredita-se que essa molécula influencie todos os ritmos biológicos controlados pelo relógio da planta, a exemplo da floração, da fotossíntese, da síntese e da quebra de amido.

Tamanha influência estimula os pesquisadores a buscar estratégias de ajustar o relógio de plantas usadas na agricultura e aumentar a produtividade. Embora o estudo tenha sido feito com a Arabidopsis thaliana, Hotta acredita que muitas das descobertas devem valer para outras espécies. “Trabalhos feitos com outras plantas têm revelado que vários dos componentes do relógio são os mesmos”, diz.

Em outra série de experimentos com Arabidopsis thaliana, Hotta constatou que a oscilação dos níveis de cálcio é controlada pelo gene TOC1 (sigla em inglês de regulador da proteína que se liga às clorofilas A e BL). Uma alteração específica – a TOC1-2 – nesse gene reduziu o período de variação dos níveis de cálcio e outros ritmos para 21 horas. Mudanças em outras regiões do gene deixaram ritmos biológicos como o da abertura dos estômatos ou de movimento das folhas com 21 horas, enquanto o da variação de cálcio permaneceu com 24 horas, segundo estudo publicado em novembro do ano passado na Plant Cell. “Esse é um indício de que existem dois tipos de relógio na planta, ambos dependentes da TOC1, mas com características diferentes”, diz Hotta, que investiga a existência e o funcionamento de relógios biológicos na cana-de-açúcar no pós-doutorado que desenvolve com financiamento da FAPESP no Laboratório de Sinalização Celular do IQ-USP.

O primeiro passo é verificar se o relógio da cana é similar ao da Arabidopsis para depois saber o seu papel no controle de características como o acúmulo de açúcar e resistência à seca. Essas informações podem, no futuro, levar ao melhoramento e ao aumento de produtividade da cana.

Artigos científicos
DODD, A.N. et al. The Arabidopsis circadian clock incorporates a cADPR-based feedback loopScience. v. 318, p. 1789-1792.  14 dez. 2007.
XU, X.; HOTTA, C.T. et al. Distinct light and clock modulation of cytosolic free Ca2 oscillations and rhythmic chlorophyll A/B binding protein2 promoter activity in ArabidopsisThe Plant Cell. v. 19, p. 3474-3490. nov. 2007.

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