A germinação das sementes depende da luz em muitas plantas. Mas nem sempre: Aethionema arabicum, uma planta adaptada a condições ambientais desafiadoras, faz isso do seu jeito. Aqui, os fitocromos, os receptores de luz vermelha e vermelha extrema, desempenham um papel inesperado na germinação das sementes e cronometram esse processo para a estação ideal.

Essas descobertas, agora publicadas na Plant Physiology , são um exemplo convincente da religação evolutiva dos módulos de sinalização que ajudam as plantas a se adaptarem aos seus habitats. O estudo foi liderado por pesquisadores do Instituto Gregor Mendel de Biologia Molecular de Plantas (GMI) da Academia Austríaca de Ciências.

Enquanto algumas sementes de plantas requerem luz para germinar, outras sementes são insensíveis ou mesmo inibidas pela luz. A maioria dos insights sobre o papel da luz durante a germinação das sementes decorre de estudos usando o organismo modelo Arabidopsis thaliana, onde a luz é necessária para iniciar a germinação.

Em contraste, a luz é um forte inibidor da germinação em outras plantas, mas a base molecular desse efeito permanece amplamente desconhecida. Uma equipe de pesquisadores, liderada pelo Dr. Zsuzsanna Mérai no Instituto Gregor Mendel (GMI), agora usou a planta Aethionema arabicum (Brassicaceae) para investigar o mecanismo molecular da germinação de sementes inibidas pela luz .

Aethionema arabicum origina-se de habitats abertos e secos, onde a germinação de sementes na superfície durante dias claros, longos e quentes reduziria as chances de sobrevivência das mudas. A inibição da germinação pela luz é interpretada como uma característica para restringir a germinação a estações mais frias ou a sementes localizadas no subsolo.

Em seu estudo, Mérai e seus colegas demonstraram que os fitocromos, os receptores de luz para os comprimentos de onda do vermelho e do vermelho extremo, desempenham um papel duplo na resposta à luz no Aethionema; eles podem estimular, mas também inibir a germinação. Medindo a intensidade e a duração da luz por meio dos fitocromos, as sementes adquirem informações sobre a duração do dia e, com isso, sobre a estação do ano.

Mérai e seus colegas usam sementes de uma variante de Aethionema originária de Chipre (CYP) que não germinam quando expostas à luz branca. Em seu habitat natural , a variante CYP só germina no início da primavera, quando os dias são relativamente curtos e as temperaturas são baixas. Isso permite que a planta complete seu ciclo de vida antes da estação seca do verão.

Mérai procurou investigar o mecanismo de inibição da luz em Aethionema CYP criando uma coleção de sementes mutagenizadas que eles rastrearam para mutantes que poderiam germinar também em luz branca, em contraste com a linhagem original. Agora, os pesquisadores caracterizaram um mutante no nível molecular .

Eles o chamavam de "koy-1", em homenagem a Koyash, o deus do sol na mitologia turca. Eles demonstraram que sua mutação afetou a HEME OXIGENASE 1, um gene chave necessário para a biossíntese de cromóforos, as moléculas de detecção de luz dos fitocromos. Esta mutação limita a quantidade da proteína cromófora e é responsável pela capacidade de resposta à luz alterada de koy-1.

O mutante koy-1 permitiu que Mérai e seus colegas descobrissem mais detalhes mecanísticos. "Ao variar a intensidade da luz, comprimento de onda e duração, fomos capazes de dissecar padrões complexos de resposta à luz ligados a fitocromos em Aethionema", diz Mérai. na germinação de sementes de Aethionema."

Seus experimentos demonstraram que a alta intensidade e duração da luz inibiram fortemente a germinação, enquanto a curta exposição favoreceu a germinação. Essas duas respostas opostas à luz resultam de diferentes proporções entre dois hormônios-chave: o ácido abscísico inibidor da germinação (ABA) versus o ácido giberélico (GA) indutor da germinação.

"Já sabíamos que a exposição à luz em Arabidopsis resultava em altos níveis de GA e baixos níveis de ABA. Agora, também sabemos que o Aethionema CYP responde de forma semelhante sob luz muito limitada. No entanto, com o aumento da irradiância, os níveis hormonais ficam literalmente de cabeça para baixo, resultando em germinação inibição", diz Mérai. “As respostas opostas à intensidade e duração da luz têm uma base genética e são uma adaptação ao ambiente natural das plantas, permitindo que o Aethionema CYP germine no início da primavera, mas não depois”.

Ao desvendar que os mesmos atores moleculares poderiam mediar efeitos diametralmente opostos, a equipe documenta como a evolução pode ter "religado" os módulos existentes para responder adequadamente aos requisitos ambientais. Com tais variações combinatórias, documentadas em múltiplos organismos, a evolução pode atingir mudanças "rápidas" sem a necessidade de novos jogadores evoluírem do zero.

"Nossas descobertas abrem caminho para uma melhor compreensão dos processos moleculares na natureza e na biodiversidade, estudando organismos não-modelos e plantas não cultivadas. O conhecimento científico adquirido com a Arabidopsis é essencial, mas nem sempre representativo de todas as plantas. Aqui, demonstramos que poderíamos até descobrir mecanismos moleculares completamente opostos na natureza", conclui Mérai, cujo trabalho estabelece Aethionema como um novo modelo para estudar os efeitos da luz na germinação de sementes .