Energia das plantas é obtida a partir da fotossíntese na forma de açúcares, que são usados nos processos metabólicos necessários para que elas cresçam e se desenvolvam bem, indica pesquisa da Unicamp realizada em parceria com duas universidades da Inglaterra
Pesquisas desenvolvidas no Centro de Biologia Molecular e Engenharia Genética (CBMEG) da Universidade de Campinas (Unicamp), em parceria com grupos das universidades de Cambridge e de Bristol, na Inglaterra, trazem uma nova dimensão ao estudo do relógio biológico (circadiano) das plantas.
Antes, apenas a luz e a temperatura eram tidas como fontes de ajuste do relógio, mas essas pesquisas demonstraram a participação dos açúcares neste processo. Um artigo sobre a descoberta foi publicado no início de agosto de 2018, na prestigiada revista científica Current Biology.
O artigo mostra que a molécula codificada pelo gene bZIP63, que é um fator de transcrição, ou seja, um gene que regula outros genes, percebe o nível de açúcar disponível na célula da planta e usa esta informação para o ajuste do relógio circadiano.
Fotossíntese
Em plantas, a energia é obtida a partir da fotossíntese na forma de açúcares, que são usados nos processos metabólicos necessários para o crescimento e desenvolvimento.
O “tic-tac” do relógio das plantas é fundamental para o gerenciamento dos recursos energéticos disponíveis, consideram que elas possuem um ritmo mais ajustado ao ambiente externo e ainda possuem um desempenho superior ou maior produtividade no caso dos cultivos agronômicos.
O pesquisador e engenheiro agrônomo Américo José Carvalho Viana explica que este trabalho é parte de seu doutorado e tem sequência agora no pós-doutorado no CBMEG, orientado pelo professor Michel Vincentz, e em colaboração com os grupos de Alex Webb (Cambridge) e Antony Dodd (Bristol).
“Todos os organismos (humanos, animais, vegetais, fungos e bactérias) possuem um relógio biológico, que academicamente denominamos circadiano, do latim circadiem: circa (cerca) e diem (dia), cerca de um dia. Sua função primordial é permitir uma antecipação às mudanças cíclicas que acontecem em função da rotação da Terra, em torno de 24 horas (dia e noite)”, destaca.
Efeito ‘jat lag’
Viana explica que no ser humano é bastante conhecido o efeito jat lag: “Quando se viaja para a Austrália, por exemplo, nosso relógio biológico permanece ajustado para o Brasil por alguns dias”.
“O corpo fica ativo para o dia, sendo que é noite, o que pode resultar em cansaço, dor de cabeça, dores musculares, mau humor, etc. São necessários três ou quatro dias para o relógio ser ajustado pelos sinais do novo ambiente como a luz.”
Ele continua dizendo que “o humano, particularmente, possui um relógio central no cérebro, que capta o sinal de luz, e outros periféricos, que chamamos de ‘relógios escravos’, como no coração, intestino e pâncreas”.
Status de energia
O engenheiro agrônomo esclarece que parte deste trabalho está relacionada com o relógio e outra parte com a forma como as plantas percebem e gerenciam seu status de energia: “Como a planta é um organismo fixo, seu relógio circadiano permite que ela se antecipe a mudanças no ambiente: luz e escuro, calor e frio”.
“Ao amanhecer, a planta já deve estar com a maquinaria de fotossíntese preparada, com as folhas totalmente abertas (há as que se fecham à noite) para captar os fótons da luz do sol e sintetizar os carboidratos, que serão usados como fonte de energia e também integrarão a biomassa de diversas substâncias orgânicas como aminoácidos, gorduras e celulose– um indicador de produtividade no caso de cultivo agronômico.”
“Ao amanhecer, a planta já deve estar com a maquinaria de fotossíntese preparada, com as folhas totalmente abertas para captar os fótons da luz do sol e sintetizar os carboidratos, que serão usados como fonte de energia”, explica o pesquisador Américo Viana, da Universidade de Campinas. Foto: Antoninho Perri/Divulgação Unicamp
Armazenagem
O excedente desses carboidratos, de acordo com Viana, é armazenado sob a forma de amido: “O carboidrato de reserva das plantas, que servirá como fonte de energia durante a noite. Outro sinal do ambiente enviado pelo relógio é a alternância entre calor do dia e frio da noite, que interferem nas reações fisiológicas da planta”.
O pesquisador ainda cita uma publicação de um trabalho do grupo de Alex Webb (de 2013), em que indicou a existência de um terceiro sinal de ajuste do relógio, que são os açúcares (carboidratos).
“Ativada a fotossíntese, a planta sintetiza carboidrato e esse sinal do açúcar também vai ajustar o relógio circadiano. O grupo de Webb demonstrou também que esse sinal de carboidrato é independente da luz: eles colocaram a planta em ambiente escuro por 24 horas, impedindo o ajuste do relógio pela luz; mas adicionando artificialmente o açúcar, o ajuste ocorreu. Ficou claro que o açúcar, por si só, é um input, é como resetar o relógio para que recomece um novo ciclo de 24 horas.”
Planta modelo
Plantas usadas nas pesquisas: relógio biológico é fundamental para o gerenciamento dos recursos energéticos. Foto: Divulgação Unicamp
Para o trabalho publicado na Current Biology, foi utilizada a planta Arabidopsis thaliana, um organismo modelo para estudos em genética e fisiologia, assim como é o camundongo para pesquisas em mamíferos e humanos, conforme o pesquisador do CBMEG.
“Foi a primeira planta a ter o genoma completamente sequenciado. Ela possui as características desejáveis de todo modelo: pequeno porte, ciclo de vida curto (três meses, entre a germinação e senescência), produz grande quantidade de sementes e pode-se cultivá-la na mesma placa de petri [recipiente cilíndrico de vidro ou plástico] que serve para microrganismos, como bactérias e fungos”, relata Viana.
O professor Michel Vincentz, seu orientador do pós-doutorado na Unicamp, explica que essa planta tem metade dos seus genes regulados pelo relógio circadiano, que é ajustado cotidianamente, conforme as variações do fotoperíodo (tempo de exposição à luz).
Segundo ele, conhecendo o relógio da Arabidopsis thaliana, “conseguimos entender, por exemplo, como se deram a domesticação e melhoramento do tomate, originário da região andina (Equador, Peru, norte do Chile) e que hoje é cultivado numa faixa de latitude que vai da Argentina ao norte dos EUA”.
“No caso do tomate, o homem selecionou para o relógio a duração do dia, que tem algumas horas a mais que as 24 horas do tomate selvagem. Esse é um ponto essencial para aumentar a produtividade da planta em vários climas e fotoperíodos”, relata Vincentz, que também é docente do Departamento de Biologia Vegetal da Unicamp.
Metabolismo energético
Ele ressalta que o trabalho, ora publicado, demonstra que o relógio circadiano das plantas também é regulado pelo metabolismo energético, ajustando a fisiologia do organismo conforme o sinal de pouca ou muita energia.
“Nessa parceria, os ingleses cuidaram mais da parte de cronobiologia, pois possuem todas as ferramentas para estudar o relógio circadiano, demonstrando que em plantas ele é ajustado pela fonte de energia (basicamente açúcares). De nossa parte, mostramos como esse ajuste funciona em termos moleculares, ou seja, quais moléculas percebem as mudanças no ambiente para ajustar o relógio.”
Descoberta excitante
De acordo com Américo Viana, já era conhecido na literatura que o gene bZIP63 percebe a sinalização de açúcar na célula: status baixo significa déficit de energia; se alto, a célula está bem nutrida de energia.
“Aqui, no CBMEG, utilizamos uma planta de Arabidopsis thaliana em que faltava esse gene, ou seja, mutante para o bZIP63, e estudamos quais genes estariam desregulados em comparação com uma planta selvagem (com todos os genes).”
Segundo ele, foi notado que outro gene do relógio – o PRR7 – estava desregulado: “Se o PRR7 estava desregulado em uma planta mutante para o bZIP63, deduzimos que esse fator de transcrição, que percebe o status de energia na célula, teria uma relação com o relógio biológico, regulando-o”.
“Foi uma descoberta bastante excitante, diante da importância dessa estrutura para os organismos de modo geral.”
Michel Vincentz destaca o papel da quinase SnRK1, uma enzima que fosforila o fator de transcrição bZIP63 que, por sua vez, vai regular o PRR7: “É essa via que faz com que o relógio circadiano responda ao açúcar, sendo um elemento chave uma molécula chamada trealose-6-fosfato, que tem papel regulador e é o próprio sinal”.
“O relógio, por sua vez, vai regular uma série de outros elementos em função desse sinal de açúcar, ajustando toda a fisiologia da célula conforme o nível de energia disponível. Hoje em dia, com o entendimento cada vez maior do relógio circadiano, podemos orientar os processos de melhoramento olhando para peças específicas, a fim de que a planta possa responder, digamos, a mudanças repentinas de ambiente.”
Novidade
Para Viana, essa rota metabólica (quinase SnRK1, fator de transcrição bZIP63 e o gene do relógio PRR7) é a novidade do trabalho publicado.
“Antes se sabia apenas que a luz do sol, diretamente, era um sinal de ajuste do relógio. Mas agora sabemos que os carboidratos obtidos na fotossíntese também são um sinal de ajuste, independente da luz . Essa via representa apenas o início de uma série de estudos, pois o bZIP63 não é o único elemento envolvido no controle do relógio circadiano. Já sabemos que existem outros fatores de regulação, que inclusive interagem com o bZIP63, mas ainda não podemos divulgar.”
