Pesquisadores da Michigan State University descobriram que os tomateiros utilizam duas vias metabólicas distintas para produzir acilaçúcares em raízes e tricomas, oferecendo novas estratégias para resistência natural a pragas na agricultura. Crédito: SciTechDaily.com
Em um novo estudo publicado recentemente pela Avanços da CiênciaPesquisadores da Michigan State University revelam uma revelação genética inesperada sobre os açúcares encontrados no “alcatrão de tomate”, lançando luz sobre os mecanismos de defesa das plantas e suas aplicações potenciais no controle de pragas.
O alcatrão de tomate, um incômodo familiar para jardineiros ávidos, é a substância pegajosa e preta-dourada que gruda nas mãos depois de tocar na planta. Acontece que a viscosidade característica da substância serve a um propósito importante. É feito de um tipo de açúcar chamado acilaçúcar, que atua como um papel mata-moscas natural para possíveis pragas. “As plantas evoluíram para produzir tantos venenos incríveis e outros compostos biologicamente ativos”, disse o pesquisador do estado de Michigan, Robert Last, líder do estudo. O último laboratório é especializado em acilaçúcares e nas minúsculas estruturas semelhantes a cabelos onde são produzidos e armazenados, conhecidas como tricomas.
Numa descoberta surpreendente, os investigadores encontraram acilaçúcares, que antes se pensava serem encontrados exclusivamente em tricomas, também em raízes de tomate. Esta descoberta é um enigma genético que levanta tantas questões quanto insights.
O objetivo do estudo da MSU foi aprender sobre as origens e a função desses acilaçúcares de raiz. Eles descobriram que não apenas os tomateiros sintetizam acilaçúcares quimicamente únicos em suas raízes e tricomas, mas esses acilaçúcares são produzidos através de duas vias metabólicas paralelas. Isso equivale a linhas de montagem em uma fábrica de automóveis que fabricam dois modelos diferentes do mesmo carro, mas nunca interagem.
No Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular do estado de Michigan, mudas de tomate são cultivadas para a pesquisa do último laboratório sobre a família de plantas Solanaceae, também conhecidas como nightshades. Os pesquisadores analisaram diferenças químicas únicas entre raízes e brotos, ambos contendo acilaçúcares. Crédito: Connor Yeck/MSU
Estas descobertas estão a ajudar os cientistas a compreender melhor a resiliência e a história evolutiva das Solanaceae, ou nightshades, uma extensa família de plantas que inclui tomates, beringelas, batatas, pimentos, tabaco e petúnias.
Eles também poderiam fornecer informações valiosas para pesquisadores que buscam desenvolver moléculas produzidas por plantas em compostos para ajudar a humanidade. “Desde produtos farmacêuticos a pesticidas e protetores solares, muitas moléculas pequenas que os humanos adaptaram para diferentes usos vêm da corrida armamentista entre plantas, micróbios e insetos”, disse Last.
Raízes e brotos
Além dos principais produtos químicos essenciais para o crescimento, as plantas também produzem um tesouro de compostos que desempenham um papel crucial nas interações ambientais. Estes podem atrair polinizadores úteis e são a primeira linha de defesa contra organismos prejudiciais.
“O que é tão notável sobre estes metabólitos especializados é que eles são normalmente sintetizados em células e tecidos altamente precisos”, disse Rachel Kerwin, pesquisadora de pós-doutorado na MSU e primeira autora do último artigo.
“Tomemos por exemplo os acilaçúcares. Você não os encontrará produzidos nas folhas ou caules de um tomateiro. Esses metabólitos de defesa fisicamente pegajosos são produzidos na ponta dos tricomas.”
Quando foi relatado que os acilaçúcares também poderiam ser encontrados nas raízes do tomate, Kerwin interpretou isso como um apelo ao antiquado trabalho de detetive genético.
Da esquerda para a direita: Jaynee Hart, Rachel Kerwin e Robert Last posam em frente ao equipamento analítico no Núcleo de Espectrometria de Massa e Metabolômica da Michigan State University. A equipe de pesquisadores desvendou um mistério evolutivo e genético no tomateiro. Crédito: Connor Yeck/MSU
“A presença desses acilaçúcares nas raízes foi fascinante e gerou muitas dúvidas. Como isso aconteceu, como eles estão sendo feitos e são diferentes dos acilaçúcares de tricomas que estamos estudando?”
Para começar a enfrentar o enigma evolutivo, os membros do laboratório colaboraram com especialistas do Núcleo de Espectrometria de Massa e Metabolômica da MSU e com a equipe da instalação de Ressonância Magnética Nuclear Max T. Rogers.
Ao comparar os metabólitos das raízes e brotos das mudas de tomate, surgiram diversas diferenças. A composição química básica dos acilaçúcares acima e abaixo do solo era visivelmente diferente, tanto que eles poderiam ser definidos inteiramente como classes diferentes de acilaçúcares.
Quebrando o carro
Por último, um ilustre professor universitário do Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular e do Departamento de Biologia Vegetal da Faculdade de Ciências Naturais da MSU oferece uma analogia útil para explicar como um geneticista aborda a biologia. “Imagine tentar descobrir como funciona um carro quebrando um componente de cada vez”, disse ele. “Se você achatar os pneus de um carro e perceber que o motor ainda funciona, você descobriu um fato crítico, mesmo que não saiba exatamente o que os pneus fazem.”
Troque peças de carro por genes e você terá uma imagem mais clara do trabalho realizado pelo último laboratório para decifrar ainda mais o código dos acilaçúcares de raiz.
Observando os dados públicos de sequência genética, Kerwin percebeu que muitos dos genes expressos na produção de acilaçúcar de tricoma de tomate tinham parentes próximos nas raízes. Depois de identificar uma enzima que se acredita ser o primeiro passo na biossíntese do acilaçúcar da raiz, os pesquisadores começaram a “quebrar o carro”.
Quando eles eliminaram o gene candidato ao acilaçúcar da raiz, a produção de acilaçúcar da raiz desapareceu, deixando a produção de acilaçúcar do tricoma intacta.
Enquanto isso, quando o bem estudado gene do acilaçúcar do tricoma foi eliminado, a produção de acilaçúcar da raiz continuou normalmente.
Essas descobertas ofereceram provas impressionantes de uma suspeita de espelhamento metabólico.
“Ao lado da via do acilaçúcar acima do solo que estudamos há anos, aqui encontramos este segundo universo paralelo que existe no subsolo”, disse Last.
“Isso confirmou que temos dois caminhos coexistindo na mesma planta”, acrescentou Kerwin.
Para concretizar esta descoberta, Jaynee Hart, pesquisadora de pós-doutorado e segunda autora do artigo mais recente, examinou mais de perto as funções dos tricomas e das enzimas das raízes.
Assim como as enzimas dos tricomas e os acilaçúcares que elas produzem são uma combinação química bem estudada, ela também encontrou uma ligação promissora entre as enzimas das raízes e os acilaçúcares das raízes.
“O estudo de enzimas isoladas é uma ferramenta poderosa para verificar sua atividade e tirar conclusões sobre seu papel funcional dentro da célula vegetal”, explicou Hart.
Estas descobertas foram mais uma prova das vias metabólicas paralelas que existem numa única planta de tomate.
“As fábricas e os carros são tão diferentes, mas semelhantes, pois quando você abre o proverbial capô, você se torna consciente da infinidade de peças e conexões que os fazem funcionar. Este trabalho nos dá novos conhecimentos sobre uma dessas partes do tomate e estimula mais pesquisas sobre sua evolução e função e se podemos utilizá-la de outras maneiras”, disse Pankaj Jaiswal, diretor de programa da Fundação Nacional de Ciência dos EUA. que financiou o trabalho.
“Quanto mais aprendemos sobre os seres vivos – desde tomates e outras culturas até animais e micróbios – mais amplas serão as oportunidades de empregar esse aprendizado em benefício da sociedade”, acrescentou.
Clusters dentro de clusters
O artigo também relata uma reviravolta fascinante e inesperada relacionada aos agrupamentos de genes biossintéticos, ou BGCs.
BGCs são coleções de genes agrupados fisicamente no cromossomo e contribuem para uma via metabólica específica. Anteriormente, o último laboratório identificou um BGC contendo genes ligados a acilaçúcares de tricomas em tomateiros. Kerwin, Hart e seus colaboradores descobriram agora que a enzima acilaçúcar expressa na raiz reside no mesmo cluster.
“Normalmente, em BGCs, os genes são co-expressos nos mesmos tecidos e sob condições semelhantes”, disse Kerwin. “Mas aqui, temos dois grupos de genes separados, mas interligados. Alguns expressos em tricomas e alguns expressos em raízes.”
Esta revelação levou Kerwin a mergulhar na trajetória evolutiva das Solanaceae espécies, com a esperança de identificar quando e como essas duas vias únicas de acilaçúcar se desenvolveram. Especificamente, os pesquisadores chamaram a atenção para um momento há cerca de 19 milhões de anos, quando a enzima responsável pelos acilaçúcares dos tricomas foi duplicada. Esta enzima um dia seria responsável pela recém-descoberta via do acilaçúcar expresso na raiz.
O mecanismo exato que “ligou” esta enzima nas raízes permanece desconhecido, abrindo caminho para que o último laboratório continue a desvendar os segredos evolutivos e metabólicos da família das beladonas.
“Trabalhar com Solanaceae proporciona muitos recursos científicos, bem como uma forte comunidade de investigadores”, disse Kerwin.
“Pela sua importância como culturas e na horticultura, estas são plantas com as quais os humanos se preocupam há milhares de anos.”
Por último, estes avanços são também um lembrete da importância dos pesticidas naturais, que representam, em última análise, metabolitos de defesa como os acilaçúcares.
“Se descobrirmos que estes acilaçúcares de raiz são eficazes a repelir organismos prejudiciais, poderiam eles ser transformados em outras solanáceas, ajudando assim as plantas a crescer sem a necessidade de fungicidas e pesticidas sintéticos nocivos?” Última pergunta.
“Estas são questões centrais na busca da humanidade por água mais pura, alimentos mais seguros e uma dependência reduzida de produtos químicos sintéticos nocivos.”
Referência: “Metabólitos especializados de raiz de tomate evoluíram através de duplicação genética e divergência regulatória dentro de um cluster de genes biossintéticos” por Rachel E. Kerwin, Jaynee E. Hart, Paul D. Fiesel, Yann-Ru Lou, Pengxiang Fan, A. Daniel Jones e Robert L. Última, 24 de abril de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adn3991
