Há muito se sabe que vegetais têm a capacidade de medir a passagem do tempo. Mas quem “ajusta” o relógio das plantas? A luz tem papel crucial nesse processo, também influenciado pela temperatura e por sinais internos, como a energia produzida pelo vegetal na forma de açúcares, por meio da fotossíntese. Os mecanismos moleculares do ajuste desse relógio biológico têm sido difíceis de desvendar, mas um estudo recente com participação de brasileiros deu um passo importante na compreensão de como esses fatores interagem e permitem sincronizar os processos internos da planta às condições ambientais. “Um relógio atrasado ou adiantado em relação ao ritmo do sol não é útil para a planta”, explica o biólogo Carlos Hotta, do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (USP), coautor do artigo que descreve o trabalho publicado este mês na revista Current Biology.
Com uma série de experimentos engenhosos usando plantas geneticamente modificadas, o grupo liderado pelo botânico Antony Dodd, da Universidade de Bristol, no Reino Unido, identificaram e descreveram as peças de um quebra-cabeça molecular. Descobriram quais interações conferem aos vegetais a capacidade de inferir a hora para além do recurso à luz, usando como fator de ajuste o nível de concentração de açúcares do organismo.
“O açúcar é aquilo que a planta usa como informação sobre seu próprio nível de energia”, diz Hotta. Seu grupo e o do biólogo Michel Vincentz, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) conseguiram descrever como um açúcar específico, a trealose-6-fosfato, ativa uma sequência de reações que culmina em alterações cronológicas no metabolismo da planta. “É uma via metabólica que já tinha sido identificada, da qual nós conseguimos conectar os elementos com o relógio biológico da planta.”
O artigo da Current Biology mostra como a produção da proteína PRR7, que atua na geração de ciclos circadianos de plantas, é regulada de acordo com o teor de açúcar disponível. Quando o nível de energia da planta fica muito reduzido, o gene da PRR7 é acionado pelo fator de transcrição bZIP63, uma proteína regulatória que reage à presença de açúcares.
Os açúcares funcionam como fator de ajuste porque quando estão presentes em maior concentração atuam acelerando o relógio biológico das plantas, que poderia se atrasar na ausência dessa pista. Os experimentos realizados para mapear essas interações foram feitos com versões geneticamente modificadas de Arabidopsis thaliana, planta da família da mostarda que se tornou um organismo modelo em biologia. Com base nessas modificações genéticas que inativam ou turbinam determinados genes, os cientistas verificavam se as plantas reagiam de maneira normal a cada sinal ambiental e se mediam o tempo corretamente.
O ciclo diário de versões de Arabidopsis que não expressavam o bZIP63, por exemplo, não era afetado por alterações nos açúcares – indício de sua participação no ajuste do relógio biológico. Para cada molécula da via de sinalização, os pesquisadores reuniram evidências de envolvimento no processo descrito no estudo. Esse modo de regulação, às vezes, pontuava um ciclo diário de 26 horas em vez de 24. É por meio de interação com outros sinais, como a luz, que a planta efetivamente ajusta seu ciclo diário.
O modo de ajuste que os cientistas descreveram tem relação com o “amanhecer metabólico” da planta, um conceito criado pelo botânico Alex Webb, da Universidade de Cambridge, outro coautor do estudo. A expressão é uma referência ao período em que a planta se prepara para o momento no qual começa a receber mais luz para iniciar a fotossíntese no início do dia.
Colaborar para avançar
Mapear todas as interações descritas no estudo exigiu muitos experimentos, análises e extensa busca em literatura científica. Isso foi possível graças à colaboração que envolveu quatro laboratórios, conta Vincentz, cujo grupo identificou uma peça central no ajuste do relógio pelos açúcares.
O campo de pesquisa básica em que o consórcio de pesquisadores atua é hoje uma área prolífica da biologia. O relógio circadiano é o que permite a uma planta identificar, por exemplo, a estação da primavera e se preparar para a floração. Diferentes relógios biológicos adaptam diferentes variedades de planta a diferentes climas, e o agronegócio sabe o valor desse conhecimento: uma compreensão detalhada desses mecanismos permitiria entender as variações genéticas que adaptam cultivares a ambientes novos.
Um grupo de biólogos da Universidade Texas A&M, por exemplo, identificou no ano passado mecanismos moleculares que conferem ao abacaxi eficiência hídrica ao adotar um procedimento diferente da maior parte das plantas: fazer trocas gasosas à noite, evitando o ressecamento por evaporação nas horas mais quentes do dia. Essa estratégia tem relação com o relógio biológico da planta cuja ação noturna foi possibilitada por alterações evolutivas, de acordo com artigo publicado em novembro na revista Genome Biology and Evolution. “Ao entender esses controles genéticos, podemos ajudar as plantas a se adaptarem a climas em mudança e possivelmente cultivar alimento em ambientes onde seria impossível hoje”, afirmou a geneticista de plantas Qingyi Yu, líder do estudo, em comunicado.
No Brasil, os grupos de Hotta e Vincentz já há algum tempo estudam o papel do relógio no gerenciamento de recursos energéticos – o primeiro na cana-de-açúcar e o segundo em Arabidopsis. Ambos prometem novos resultados em breve.
Projetos
1. Homeostase energética e sinalização por açúcar: Diversificação dos mecanismos moleculares envolvidos no controle do balanço energético em angiospermas (nº 08/52071-0); Modalidade Projeto Temático; Programa Bioen; Pesquisador responsável Michel Georges Albert Vincentz (Unicamp); Investimento R$ 2.726.475,29.
2. Relógios biológicos específicos em órgãos e tecidos de gramíneas C4 (nº 15/06260-0); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Regular; Programa Bioen; Pesquisador responsável Carlos Takeshi Hotta (USP); Investimento R$ 185.329,40.
Artigos científicos
FRANK, A. et al. Circadian entrainment in Arabidopsis by the sugar-responsive transcription factor bZIP63. Currrent Biology. on-line. 2 ago. 2018.
SHARMA, A. et al. Diurnal cycling transcription factors of pineapple revealed by genome-wide annotation and global transcriptomic analysis. Genome Biology and Evolution. v. 9, n. 9, p. 2.170-90. 1º set. 2017.
