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Projeto revela como as plantas constroem uma pista de transporte de açúcar
Descobriu-se que uma minúscula região na ponta da raiz é responsável por orquestrar o crescimento e o desenvolvimento da complexa rede de tecidos vasculares que transportam açúcares através das raízes das plantas.
Por Rachel Harrison - 26/12/2021


Esquema da raiz da planta, mostrando os diferentes subtipos de células do floema, que transportam a sacarose ao redor da planta e, por fim, dão origem ao amido nos alimentos. O tecido do floema nasce das células-tronco em direção à parte inferior da ponta cônica da raiz e, em seguida, é empurrado para cima à medida que amadurecem ao longo de uma linha de montagem. Os pesquisadores dissecaram a trajetória de desenvolvimento de 19 células das células do floema, desde o nascimento até a maturação, em uma jornada de 19 posições celulares. O gráfico à direita mostra uma análise computacional de estados de uma única célula ao longo da trajetória, onde "pontos de aperto" marcam transições de desenvolvimento dramáticas. A pesquisa envolveu encontrar os mecanismos genéticos que controlam as transições de desenvolvimento e o "código" regulador para a construção do floema. Crédito da imagem: Science & Pawel Roszak

Em um artigo publicado na Science , uma equipe internacional de cientistas apresenta um projeto detalhado de como as plantas constroem células do floema - o tecido responsável por transportar e acumular açúcares e amido nas partes da planta que colhemos (sementes, frutos e tubérculos de armazenamento) para alimentar grande parte do mundo.

Esta pesquisa fundamental revela como os sinais globais nos meristemas das raízes coordenam as fases de maturação distintas do tecido do floema.

O floema é um tecido vascular altamente especializado que forma uma rede interconectada de fios contínuos em todo o corpo da planta. Ele transporta açúcares, nutrientes e uma variedade de moléculas de sinalização entre folhas, raízes, flores e frutos.

Como resultado, o floema é fundamental para a função da planta. Compreender como a rede do floema é iniciada e se desenvolve é importante para futuras aplicações na agricultura, silvicultura e biotecnologia, pois pode revelar como transportar melhor essa energia do açúcar para onde for necessária.

Como as usinas constroem uma cana de açúcar em uma rodovia com várias pistas?

As raízes das plantas continuam a crescer ao longo de sua vida. Esse fenômeno, conhecido como crescimento indeterminado, significa que as raízes se alongam continuamente à medida que adicionam novos tecidos à ponta da raiz - como construir uma estrada sem fim. Um arquivo contínuo de células especializadas do floema percorrendo o comprimento das raízes (análogo a uma pista em uma rodovia) fornece o nutriente primário, a sacarose, às partes da planta onde é necessário para o crescimento. Para cumprir esse papel vital, o tecido do floema deve se desenvolver e amadurecer rapidamente para que possa fornecer açúcares aos tecidos circundantes - semelhante à construção de uma via de serviço que precisa ser concluída no primeiro estágio da construção de uma rodovia com várias pistas.

O problema que há muito intrigava os cientistas de plantas é como um único gradiente instrutivo de proteínas é capaz de encenar as fases de construção em todos os diferentes arquivos de células especializadas (pistas de rodovias) que estão presentes nas raízes. Como um tipo de célula lê o mesmo gradiente que seus vizinhos, mas o interpreta de maneira diferente para desenvolver seu próprio desenvolvimento especializado, é uma questão que os cientistas de plantas vêm trabalhando para resolver.

Nos últimos 15 anos, os pesquisadores das equipes de Yrjö Helariutta da Universidade de Cambridge e da Universidade de Helsinque descobriram o papel central da comunicação célula a célula e mecanismos de feedback complexos envolvidos no padrão vascular. Esta nova pesquisa, realizada com colaboradores da Universidade de Nova York e da Universidade Estadual da Carolina do Norte, revela como essa linha única de células do floema é construída independentemente das células vizinhas.

O grupo Sainsbury / Helsinki dissecou cada etapa na construção do arquivo de células do floema (a via de transporte de açúcar) na planta modelo Arabidopsis thaliana usando RNA-seq de célula única e imagem ao vivo. Seu trabalho mostrou como as proteínas que controlam o amplo gradiente de maturação da raiz interagem com a maquinaria genética que controla especificamente o desenvolvimento do floema.

Este é um mecanismo que parece ajudar o arquivo de células do floema a acelerar a maturação usando seu próprio mecanismo para interpretar os sinais de maturação. Pawel Roszak , co-autor do estudo e pesquisador do Laboratório Sainsbury da Universidade de Cambridge (SLCU) , explica: “Mostramos como os sinais globais no meristema da raiz interagem com os fatores específicos do tipo de célula para determinar fases distintas do desenvolvimento do floema na resolução do celular. O uso de classificação de células seguida de sequenciamento de célula única profunda e de alta resolução da rede reguladora de genes subjacente revelou um mecanismo de 'gangorra' de repressão genética recíproca que desencadeia transições de desenvolvimento rápidas. ”

O grupo também mostrou como o desenvolvimento do floema é encenado ao longo do tempo, com programas genéticos iniciais inibindo programas genéticos tardios e vice-versa - assim como as equipes de trabalho de assentamento de asfalto entregam a construção aos pintores de pistas nos estágios finais da construção da rodovia. Além disso, eles mostraram como os primeiros reguladores do floema instruíram genes específicos a dividir as células do floema em dois subtipos diferentes - como a construção de uma bifurcação na estrada que leva a dois destinos separados.

O colíder do trabalho, Yrjö Helariutta, disse que a reconstrução de suas equipes das etapas desde o nascimento até a diferenciação terminal do protofloema na raiz de Arabidopsis expôs as etapas. Helariutta disse: "A interface de gradientes de maturação amplos com reguladores transcricionais específicos do tipo de célula para o estágio de diferenciação celular é necessária para o desenvolvimento do floema."

“Ao combinar a transcriptômica de uma única célula com imagens ao vivo, aqui mapeamos os eventos celulares desde o nascimento da célula do floema até sua diferenciação terminal em células do elemento de peneira do floema. Isso nos permitiu descobrir mecanismos genéticos que coordenam a maturação celular e conectam o momento da cascata genética a reguladores mestres amplamente expressos da maturação do meristema. O momento preciso dos mecanismos de desenvolvimento foi fundamental para o desenvolvimento adequado do floema, com aparentes mecanismos 'à prova de falhas' para garantir as transições. ”

Os pesquisadores da New York University forneceram várias ferramentas técnicas importantes para o projeto. Kenneth Birnbaum , professor do Departamento de Biologia e do Centro de Genômica e Biologia de Sistemas, e Dennis Shasha, professor de ciência da computação no Courant Institute of Mathematical Sciences, contribuiu para a análise de dados de RNA-seq de uma única célula, desenvolvendo os modelos computacionais que revelaram redes genéticas envolvidas na mudança de programas de desenvolvimento, ou seja, a troca de equipes na construção de rodovias . O laboratório de Birnbaum também compartilhou técnicas de imagem ao vivo de longo prazo que permitiram à equipe de pesquisa "observar" o progresso das células do floema desde o nascimento até a maturação completa ao longo de dias sob o microscópio. A microscopia de longo prazo ajudou a mostrar a coordenação do tempo dos eventos de “divisão de faixa” e enucleação do floema para o estado molecular das células.

“Esta é uma Idade de Ouro para descoberta em biologia com novas ferramentas que nos ajudam a conectar o estado molecular de células individuais com observações em tempo real da célula”, disse Birnbaum. “Essas medições de célula única e técnicas de imagem ao vivo são para a célula o que as imagens de satélite são para a Terra. Nosso projeto de floema mostra o potencial dessas ferramentas para entender o desenvolvimento das células vegetais, em particular, aquelas que são tão cruciais para a nutrição humana. ”

Os pesquisadores planejam explorar mais a evolução desses mecanismos e se essas etapas são replicadas em outras regiões de plantas e outras espécies de plantas.

 

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