Usando plantas de tabaco “optogenéticas” recém-geradas, equipes de pesquisa dos Departamentos de Fisiologia Vegetal e Neurofisiologia da Universidade de Würzburg investigaram como as plantas processam sinais externos.
Quando se trata de sobrevivência, as plantas têm uma enorme desvantagem em comparação a muitos outros organismos vivos: elas não podem simplesmente mudar de localização se predadores ou patógenos as atacarem ou se as condições ambientais mudarem em sua desvantagem.
Por essa razão, as plantas desenvolveram diferentes estratégias com as quais reagem a tais ataques. Tais reações são geralmente desencadeadas por certos sinais do ambiente. Como se sabe há muito tempo, a concentração de cálcio intracelular desempenha um papel importante no processamento desses sinais.
No entanto, além das mudanças no nível de cálcio citoplasmático, mudanças no potencial de membrana da célula também foram suspeitas como um transmissor de sinal. Grupos de pesquisa dos Departamentos de Neurofisiologia, Biologia Farmacêutica e Botânica da Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) investigaram a relação potencial de membrana-cálcio em mais detalhes. Eles agora publicaram suas descobertas no periódico Nature.
Canais sensíveis à luz permitem manipulações direcionadas
Para seu estudo, as equipes de pesquisa trabalharam com plantas de tabaco que carregam canais iônicos que podem ser especificamente ativados com luz. Mais de 20 anos atrás, Peter Hegemann, Georg Nagel e Ernst Bamberg iniciaram o sucesso da optogenética, com sua descoberta e caracterização de canais iônicos ativados por luz, as chamadas canalrodopsinas. Com a ajuda dessas proteínas sensíveis à luz, que são obtidas de algas e microrganismos, os pesquisadores da JMU foram capazes de investigar experimentalmente se o influxo de íons de cálcio ou a despolarização mediada por efluxo de ânions da membrana celular é decisiva para a reação da planta a uma determinada situação de estresse. No entanto, os cientistas tiveram que fazer muito trabalho preparatório antes de conseguirem fazer isso.
Optogenética com Rodopsinas
Channelrhodopsins, canais iônicos que carregam um interruptor de luz intrínseco baseado em rodopsina, revolucionaram a neurociência por meio da investigação controlada por luz de redes neuronais. O uso de channelrhodopsins em pesquisa de plantas só se tornou possível 20 anos depois, por meio de uma colaboração próxima entre o grupo de Georg Nagel, professor do Instituto de Fisiologia da JMU, e pesquisadores de plantas das Cátedras de Botânica 1, 2 e Biologia Farmacêutica de Würzburg.
Em 2021, o grupo de Georg Nagel, juntamente com o Dr. Kai Konrad, líder do grupo na Cátedra JMU do Prof. Rainer Hedrich Botany 1, publicou uma abordagem para otimizar o uso de canalrodopsinas em plantas superando três dificuldades principais.
Rodopsinas requerem vitamina A
Ponto 1: “Como todas as rodopsinas, incluindo aquelas em nossos olhos, as canalrodopsinas requerem a pequena molécula retinal, também conhecida como vitamina A, para absorver a luz. Nós, humanos, obtemos retinal principalmente do betacaroteno, a provitamina A. No entanto, as plantas de Öland não contêm retinal, mas muito betacaroteno”, explica o Dr. Shiqiang Gao, coautor da publicação Nature e “engenheiro de rodopsina” do laboratório de Optogenética do Departamento de Neurofisiologia da JMU.
Em 2021, Gao teve sucesso pela primeira vez em combinar a expressão de channelrhodopsinas com a produção de retinal a partir de betacaroteno em células vegetais. Isso permitiu o desenvolvimento de plantas de tabaco com alto conteúdo de retinal e expressão bem-sucedida de channelrhodopsinas.
O Dr. Markus Krischke, da Unidade Central de Metabolômica do Departamento de Biologia Farmacêutica, chefiado pelo Professor Martin Müller na JMU Würzburg, confirmou o alto conteúdo de retina das diversas plantas de tabaco transgênicas.
Plantas de tabaco transgênicas comparáveis foram produzidas para o estudo publicado recentemente por Meiqi Ding, do Departamento de Botânica I, sob a direção do fisiologista vegetal e especialista em processamento de sinais de plantas, Dr. Kai Konrad, do grupo do Professor Rainer Hedrich, do Departamento de Botânica I.
As plantas precisam de luz para crescer
Ponto 2: “A maioria das rodopsinas é ativada por luz azul ou verde. No entanto, isso é sempre um componente da luz branca”, explica Georg Nagel. Como resultado, as plantas de tabaco não puderam ser cultivadas em uma estufa ou sob luz branca artificial, como geralmente é o caso. Somente em câmaras de crescimento especiais com luz LED vermelha, que podem ser usadas fotossinteticamente, foi possível evitar a ativação indesejada da rodopsina. Testes sob diferentes condições de crescimento mostraram: “O tabaco se desenvolve de forma saudável e inalterada sob luz vermelha em comparação com as condições de estufa”, diz o Dr. Kai Konrad.
Expressão funcional de canalrodopsinas em plantas
Ponto 3: A expressão de chanelrodopsina em células de tabaco frequentemente causa dificuldades. Em 2021, a equipe de cientistas de Würzburg conseguiu expressar o canal aniônico ativado por luz GtACR1 em células de plantas de tabaco. Como resultado, a equipe de Georg Nagel conseguiu desenvolver várias channelrodopsinas que foram otimizadas para a permeabilidade de íons de cálcio. Finalmente, o Dr. Shiqiang Gao e Shang Yang, ambos membros do grupo de Nagel, conseguiram desenvolver uma channelrodopsina XXM 2.0 condutora de cálcio muito boa para expressão direcionada em plantas de tabaco.
Este foi o avanço: “A expressão bem-sucedida de channelrhodopsinas com seletividade iônica diferente em células vegetais permite a comparação de diferentes sinais iônicos em paralelo ao sinal elétrico, a chamada despolarização”, explica a Dra. Meiqi Ding. Ela usou a channelrhodopsina condutora de cálcio XXM 2.0 e o canal aniônico ativado por luz GtACR1 para investigar as diferentes vias de sinalização iônica no tabaco.
Uma nova era na pesquisa de plantas
Essas plantas de tabaco “optogenéticas” recém-geradas tornaram possível esclarecer a questão de se o influxo de cálcio ou a despolarização da membrana é decisivo para a resposta da planta a uma situação de estresse específica. “A resposta foi clara”, diz o Dr. Kai Konrad, autor correspondente. O primeiro autor, Dr. Meiqi Ding, do grupo de Konrad, explica: “Após a ativação do canal aniônico, as folhas murcharam e responderam com a resposta típica da planta à seca; o hormônio vegetal ácido abscísico (ABA) foi produzido e a expressão gênica foi aumentada para proteger contra a dessecação.”
“No entanto, nas plantas com o canal de cálcio, não houve alteração nos níveis de ABA após a estimulação optogenética”, continuou o Dr. Ding. “Em vez disso, as plantas produziram moléculas sinalizadoras e hormônios vegetais para iniciar mecanismos de defesa contra predadores, reconhecíveis por manchas brancas nas folhas”, disse o Dr. Konrad.
O Dr. Sönke Scherzer, da cátedra do Prof. Hedrich, conseguiu demonstrar por meio de medições diretas de ROS que espécies reativas de oxigênio (ROS) são liberadas no processo.
Dirk Becker e Rainer Hedrich, da Cátedra de Botânica 1, projetaram uma abordagem experimental para apoiar a hipótese de trabalho usando análise transcriptômica e bioinformática.
Os cientistas estão convencidos de que este estudo é apenas o começo de uma nova era na pesquisa de plantas. Por fim, as vias de sinalização das plantas agora podem ser melhor “iluminadas” usando várias rodopsinas.
Publicação original
Sondando o processamento de sinais de plantas optogeneticamente por duas channelrodopsinas. Meiqi Ding, Yang Zhou, Dirk Becker, Shang Yang, Markus Krischke, Sönke Scherzer, Jing Yu-Strzelczyk, Martin J. Mueller, Rainer Hedrich, Georg Nagel, Shiqiang Gao, Kai R. Konrad. Nature, 28 de agosto de 2024. DOI: 10.1038/s41586’024 -07884-1. ‘024 -07884-1
