Tecnologia Científica

Expressão do gene anti-predador em rabanetes selvagens
Rabanetes selvagens afastam as lagartas usando a expressão gênica anti-predador
Por Holly Alyssa MacCormick - 05/09/2021

Leões, ursos e outras criaturas com garras tendem a ocupar o topo da lista dos pais mais protetores da natureza, mas um novo estudo descobriu que as plantas também podem ir longe para proteger seus filhotes.


As plantas de rabanete selvagem usam pelos das folhas (tricomas) e óleo
de mostarda tóxico para afastar as lagartas da borboleta do repolho e outros
herbívoros que comem suas folhas. (Crédito
da imagem: Casey Girard)

Em um novo estudo, publicado em 17 de agosto na revista Proceedings of the National Academy of Sciences , os pesquisadores de Stanford mostram que as plantas de rabanete selvagem ativam diferentes genes anti-predadores durante as principais fases de suas vidas em resposta à predação de lagartas. Além disso, as plantas também podem passar essas estratégias defensivas “sob demanda” para seus descendentes, a fim de prepará-los para a predação que provavelmente experimentarão como mudas e adultos.

Os cientistas sabem que as plantas parentais podem passar defesas úteis para seus descendentes, mas como as plantas alocam essas defesas ao longo do tempo e através das gerações é pouco compreendido. Entender como as plantas se protegem é importante para os humanos por várias razões, explicou o autor sênior Rodolfo Dirzo , o Bing Professor de Ciências Ambientais na Escola de Humanidades e Ciências .

Por exemplo, a aspirina, a morfina e o medicamento para o coração digital são alguns dos muitos medicamentos derivados das defesas químicas criadas pelas plantas. As defesas naturais das plantas também podem ser exploradas pelos humanos para proteger as plantações e para o manejo de pragas.

“A história da humanidade foi fortemente influenciada pela evolução das interações planta-inseto”, disse Dirzo, que também é membro sênior do Stanford Woods Institute for the Environment .

A guerra dos rabanetes

As plantas se armam com toxinas, espinhos e outras defesas químicas e físicas para manter afastados os animais que se alimentam de plantas, conhecidos como herbívoros. Mas a produção de defesas pode ser cara para as plantas, então elas geralmente gastam seus recursos em defesas anti-herbívoros apenas quando isso as beneficia mais.

Nas plantas, os genes responsáveis ​​por gerar defesas anti-predadores são frequentemente “ativados” por meio de um “interruptor” químico chamado metilação do DNA. A metilação do DNA é um exemplo de mecanismo epigenético ("epi" que significa "no topo de") que modifica o comportamento do gene sem alterar a sequência de DNA subjacente dos próprios genes.

Quando Mar Sobral se juntou ao laboratório de Dirzo como pós-doutoranda em 2011, ela começou a investigar como a predação pode afetar as mudanças epigenéticas hereditárias.

Em um estudo publicado em março de 2021 na Frontiers in Plant Science , a equipe mostrou que rabanetes selvagens eram muito mais propensos a produzir flores rosa ou roxas se seus pais fossem atacados por lagartas.

“Aparentemente, as mudanças epigenéticas ligadas ao aumento das defesas físicas e químicas também podem induzir mudanças na produção de pigmentos porque têm vias relacionadas”, explicou Sobral, que agora é pesquisador da Universidade de Santiago de Compostela na Espanha e é o primeiro autor de ambos os estudos.

Uma chamada química às armas

A fim de se aprofundar em como as plantas evoluem e passam defesas para seus descendentes em resposta à predação, Sobral, Dirzo e Isabelle Neylan, uma ex-graduando no laboratório de Dirzo, projetou um experimento de estufa multigeracional para explorar as interações entre plantas de rabanete selvagem e seu principal predador , a lagarta borboleta do repolho.

Em rabanetes selvagens, as defesas anti-predadores se manifestam como pelos de folhas eriçadas e óleo de mostarda tóxico. A equipe queria saber como as plantas de rabanete selvagem alocam suas defesas físicas e químicas como mudas e adultos, e como as defesas intensificadas durante um determinado estágio da vida podem ser transmitidas através das gerações.

O experimento em estufa permitiu aos pesquisadores explorar suas questões em um ambiente controlado - apenas lagartas de borboletas-repolho pastavam nas plantas de rabanete selvagem, e as plantas recebiam muita luz, água, nutrientes e uma temperatura constante.

Os pesquisadores levantaram a hipótese de que as plantas de rabanete selvagem ativariam as defesas em resposta a ataques de lagartas.

Eles também previram que os descendentes de plantas atacadas por lagartas teriam mais defesas e seriam mais propensos a produzir defesas quando atacados por lagartas.

Por último, como as mudas são frágeis e têm maior probabilidade de sofrer danos letais nesta fase de vida, a equipe previu que a capacidade de induzir defesas seria mais forte nas mudas.

Os pesquisadores testaram suas previsões usando 160 plantas de rabanete selvagem e dezenas de lagartas vorazes. As lagartas foram autorizadas a atacar as plantas por duas semanas durante dois estágios-chave da vida - quando as mudas produziram suas duas primeiras folhas e quando as plantas adultas floresceram. Para efeito de comparação, uma amostra de plantas de controle foi mantida livre do ataque de lagartas.

Os pesquisadores estimaram a eficácia das defesas físicas de cada planta contando a densidade dos fios de cabelo em amostras de folhas. Suas defesas químicas, na forma de óleo de mostarda exalado das folhas, também foram coletadas e analisadas. Finalmente, o tecido foliar de plantas atacadas e não atacadas foi analisado quanto a sinais de metilação de DNA.

O estudo confirmou que a metilação do DNA é um chamado químico às plantas de rabanete e que os ataques de lagartas famintas desencadeiam a metilação do DNA nas plantas-mãe e em seus descendentes.

Os experimentos com a prole de plantas de rabanete selvagem atacadas revelaram que as defesas físicas e químicas dos rabanetes selvagens eram facilmente ativadas pela predação no estágio de muda. No entanto, apenas as defesas químicas - não as defesas físicas - foram implantadas pelas plantas adultas em resposta ao ataque.

“Houve várias surpresas”, disse Sobral. “Não esperávamos que as plantas adultas pudessem ser induzidas a produzir defesas e pudessem exibir as defesas que herdaram de seus ancestrais. Presumimos que esses processos estavam acontecendo principalmente na fase de mudas. ”

Descobrir que as plantas de rabanete selvagem podem ativar as defesas anti-predadores como mudas e adultos, mas que os adultos só podem usar defesas químicas, também foi uma surpresa; geralmente pensava-se que apenas as mudas podem ativar as defesas anti-predadores.

Este estudo ajuda a informar nossa compreensão das muitas e complexas interações inseto-planta na Terra, dizem os pesquisadores.

“ Cerca de 50 por cento das espécies que os cientistas descobriram e nomearam no planeta são compostas de plantas 'superiores' (como samambaias, coníferas e plantas com flores) e os insetos que se alimentam delas”, disse Dirzo.

E essas são apenas as espécies que conhecemos, ressaltou. “Assim, suas interações representam uma característica central da biodiversidade da Terra”, acrescentou. “Não podemos entender a diversidade da vida na Terra sem entender as interações entre as plantas e os organismos que se alimentam delas.”

Isabelle Neylan agora é estudante de graduação na University of California-Davis. Outros coautores do estudo, intitulado “ Plasticidade fenotípica na defesa da planta em todos os estágios da vida: indutibilidade, indução transgeracional e priming transgeracional em rabanete ”, incluem Luis Sampedro do Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Espanha e David Siemens de Black Hills Universidade Estadual, Dakota do Sul.

O financiamento para esta pesquisa foi fornecido pela Universidade de Stanford .

 

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