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Relógio biológico e pares de genes extras controlam funções importantes da planta
A pesquisa genética mostra como a cultura usa respostas internas ao ciclo dia-noite - conhecidas como ritmos circadianos - para regular processos como reprodução, fotossíntese e reações a condições estressantes.
Por Dartmouth College - 05/11/2020


Genes duplicados na cultura alimentar Brassica rapa são regulados pelo relógio biológico da planta para ajudar na adaptação a novas regiões e às mudanças climáticas. Crédito: Kathleen Greenham.

O relógio biológico de uma cultura alimentar popular controla cerca de três quartos de seus genes, de acordo com pesquisas do Dartmouth College.

A pesquisa genética mostra como a cultura usa respostas internas ao ciclo dia-noite - conhecidas como ritmos circadianos - para regular processos como reprodução, fotossíntese e reações a condições estressantes.

O estudo, publicado na revista eLife , pode ajudar os pesquisadores a direcionar genes para melhorar o crescimento e a resiliência ao estresse quando uma planta é movida para uma nova região ou encontra mudanças nas condições climáticas.

"À medida que as plantas são cultivadas em novas zonas geográficas, elas devem selecionar características que lhes permitam sobreviver em diferentes condições", disse C. Robertson McClung, professor de biologia em Dartmouth e pesquisador sênior do estudo. "Muitas dessas características estão nos genes do relógio circadiano ."

Como os animais, as plantas têm relógios biológicos que permitem que se adaptem a mudanças previsíveis, como ciclos diurnos e noturnos ou mudanças nas estações. Embora os animais possam se deslocar para se adaptar a essas mudanças ambientais, as plantas ficam presas no lugar. Para sobreviver, as plantas precisam ativar e desativar genes para alterar suas funções biológicas .

A equipe de pesquisa usou o sequenciamento de RNA para identificar como os genes da cultura popular Brassica rapa são controlados pelo mecanismo interno de cronometragem da planta. A espécie B. rapa inclui variedades como nabos, sementes oleaginosas, couve chinesa e vegetais folhosos.

No estudo, as plantas foram expostas a condições normais com dias quentes e noites frias. Eles foram então removidos desse ambiente e amostrados por um período de dois dias para revelar quais genes estavam ativos em resposta aos sinais do relógio interno da planta.

A pesquisa descobriu que mais de 16.000 genes, cerca de três quartos de todos os genes da planta, são regulados por ritmos circadianos na ausência de mudanças de luz e temperatura.

"Ficamos surpresos ao descobrir que um número tão alto de genes são regulados pelo relógio biológico. Isso enfatiza a importância do controle do relógio circadiano de muitas funções dentro da planta", disse McClung.
 
Muitas plantas agrícolas, como trigo, batata e Brassica, dobraram ou triplicaram seus complementos completos de genes. Isso levou os pesquisadores a questionar o efeito que os pares de genes adicionais têm no relógio biológico da planta ou nos processos de sobrevivência, como a resiliência à seca.

A equipe de pesquisa descobriu que as cópias extras do gene costumam estar ativas em horários diferentes dos pares de genes.

Além disso, os pesquisadores descobriram que muitas vezes apenas um membro de um par de genes duplicados respondia à seca. Em ambos os casos, as diferenças no tempo de ativação do gene, ou na capacidade de resposta à seca, devem ter ocorrido depois que os genes se duplicaram.

As descobertas levam à conclusão de que a mesma duplicação de genes que é responsável por um relógio biológico mais sensível também cria mais resistência à seca.

"Durante a evolução das plantas terrestres, o número de pares de genes se expandiu", disse Kathleen Greenham, professora assistente de biologia vegetal e microbiana da Universidade de Minnesota que co-liderou o estudo como pesquisadora de pós-doutorado em Dartmouth. "Um conjunto de cópias pode manter processos críticos de crescimento, enquanto os outros são livres para desenvolver novas funções que os pesquisadores podem usar para produzir safras resistentes ao estresse."

Identificar as diferenças dentro dos pares de genes que os fazem responder ou não às condições de seca pode dar aos pesquisadores uma maneira de ajudar as plantas a aumentar a resiliência às mudanças induzidas pelo clima.

"A hora do dia é importante para a expressão do gene quando se trata de lidar com a seca", disse Ryan Sartor, pesquisador de pós-doutorado na North Carolina State University que co-liderou o estudo. "Esta é uma etapa inicial para ajudar a entender as relações básicas. Uma compreensão mais completa deste sistema complexo pode levar ao desenvolvimento de safras mais resistentes ao estresse."

De acordo com a equipe de pesquisa, os ritmos circadianos que regulam grande parte da biologia vegetal são provavelmente influenciados pelas mudanças climáticas, uma vez que as pistas ambientais se tornam menos confiáveis. Isso torna mais difícil para as plantas se adaptarem e sobreviverem, mas também serve como uma pista para pesquisadores que buscam maneiras de desenvolver a resiliência das plantas.

 

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