Como a compreensão dos relógios biológicos das plantas pode ajudar a transformar a forma como os alimentos são cultivados

Você já teve um caso grave de jet lag? Aquela sensação horrível quando você sai de um voo de longo curso e seu corpo está lhe dizendo que é hora de dormir, mas o mundo exterior está lhe dizendo que é hora do café da manhã? Esses são os efeitos biológicos do relógio interno do corpo, também conhecido como relógio circadiano.

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Plantas, fungos e até algumas bactérias também possuem um ritmo circadiano. Embora as plantas não tendam a embarcar em voos internacionais, qualquer organismo vivo com um relógio circadiano tem o potencial de sofrer jet lag. Isso é mais do que um fato divertido: poderíamos usar essas informações para tornar as plantações mais produtivas e combater a segurança alimentar.

Os primeiros relatos de um relógio corporal interno em plantas remontam à Grécia antiga, quando o capitão de um navio estudou o abrir e fechar diário das folhas de um tamarindo. As primeiras observações sistemáticas dos ritmos circadianos das plantas foram realizadas em 1700 pelo cientista francês Jean-Jacques d’Ortous de Mairan, que estudou a abertura e fechamento rítmico das folhas de mimosa pudica (planta da família das ervilhas).

De Mairan percebeu que esses ciclos persistiam mesmo quando a planta estava em constante escuridão. Isso demonstrou que os movimentos das folhas não eram uma resposta a mudanças nas condições de iluminação, mas eram controlados pela própria planta. Esta é a definição de um ritmo circadiano.

Como as plantas contam as horas

Agora sabemos que esses ritmos são controlados por uma rede genética encontrada dentro de cada célula vegetal. Cerca de 20 genes controlam o ritmo circadiano nas plantas. Esses genes ligam e desligam uns aos outros em um circuito complicado, gerando um ritmo de 24 horas.

Este circuito de controle também ativa outros genes no genoma da planta. Alguns genes são ativados ao amanhecer, seguidos por genes necessários no final da manhã, mas desligados à tarde. Por exemplo, os genes associados à fotossíntese são normalmente ativados pela manhã para aproveitar ao máximo a luz do dia, enquanto os genes associados ao crescimento e desenvolvimento são normalmente ativos à noite.

Experimentos de laboratório demonstram que, se algum desses genes de controle circadiano sofre mutação (o que significa que sua sequência genética é alterada para que não funcione mais adequadamente), o relógio da planta pode acelerar para dar um ritmo mais curto, desacelerar para dar um ciclo longo, ou parar de funcionar completamente.

Muitas pessoas pensam nas plantas como verduras bonitas. Essencial para ar puro, sim, mas organismos simples. Uma mudança radical na pesquisa está mudando a maneira como os cientistas pensam sobre as plantas: elas são muito mais complexas e mais parecidas conosco do que você pode imaginar. Este florescente campo da ciência é encantador demais para fazer justiça a ele em uma ou duas histórias.
Este artigo faz parte de uma série, Plant Curious, explorando estudos científicos que desafiam a maneira como você vê a vida vegetal.

Plantas com genes circadianos mutantes não apenas têm relógios mais rápidos ou mais lentos, mas sua capacidade de fotossíntese, crescimento e reprodução é prejudicada. Uma planta com um relógio circadiano fora de ordem crescerá apenas até a metade do tamanho de uma planta normal em condições de laboratório.

Quase todos os processos que os cientistas observaram nas plantas são regulados até certo ponto pelo relógio interno. Ele controla a abertura e o fechamento dos poros dos estômatos na parte inferior de uma folha, as trocas gasosas na fotossíntese, o crescimento de brotos e raízes, a floração sazonal e a “guerra química” entre as plantas e os animais que as comem. É quando algumas plantas produzem substâncias químicas que são tóxicas para os animais quando ingeridas.

Embora a maior parte da pesquisa sobre os ritmos circadianos das plantas tenha sido realizada em laboratório, há um interesse crescente em como isso pode ser aplicado à agricultura para enfrentar os desafios da segurança alimentar global.

Apto para o futuro

O aquecimento global está enfraquecendo a saúde do solo e matando polinizadores, enquanto o clima extremo e a guerra estão entre os fatores que aumentam os preços dos alimentos. Portanto, esta pesquisa pode se tornar essencial para nossa sobrevivência.

Aprender mais sobre os relógios circadianos das plantas pode aumentar significativamente o rendimento das colheitas e controlar o tempo de floração das plantas para se adaptar às mudanças climáticas. Por exemplo, vários estudos descobriram que as plantas são mais sensíveis aos herbicidas, dependendo da hora do dia em que são aplicados. Como muitas plantas têm relógios semelhantes, podemos aplicar as descobertas de laboratório às espécies cultivadas.

Vários estudos demonstraram que alterações naturais nos genes do relógio foram associadas a avanços na agricultura. Por exemplo, os tomates foram originalmente cultivados na América Central, onde a duração do dia não muda muito ao longo do ano. Quando as pessoas começaram a cultivar o tomate domesticado em latitudes mais ao norte, elas inadvertidamente selecionaram uma variedade com uma mutação natural que resultou em um relógio mais lento. Isso significava que os tomateiros podiam aproveitar melhor os dias mais longos de verão e realizar fotossíntese por mais tempo.

Além disso, a cevada da primavera (semeada na primavera) e do inverno (semeada no outono) floresce em diferentes épocas do ano devido a uma diferença genética em um gene associado ao relógio circadiano. Os agricultores, portanto, semeiam diferentes variedades genéticas da mesma cultura em determinadas épocas para maximizar a produtividade.

Com o desenvolvimento da agricultura vertical interna, há um grande interesse em entender as respostas circadianas das plantas à luz, para que os sistemas de iluminação possam ser projetados para maximizar o crescimento e reduzir o consumo de energia. Isso ocorre porque a agricultura vertical interna permite o controle total da iluminação, ao contrário de quando cultivamos plantas ao ar livre ou em nossas casas. Compreender o ritmo interno da planta pode ajudar a otimizar o crescimento das plantas, controlar o melhor momento para regar e indicar quando usar fertilizantes ou outros produtos químicos usados ​​na agricultura.

As plantas são muito mais complexas (e talvez um pouco mais parecidas conosco) do que muitas pessoas imaginam. Nos últimos 25 anos, houve uma grande quantidade de pesquisas sobre os mecanismos de controle genético do relógio circadiano. O desafio agora é aplicar esse conhecimento na agricultura.

É do nosso interesse garantir que entendemos as plantas dessa maneira, porque podemos usar esse conhecimento para cultivar melhor nossos alimentos e tornar nossas colheitas mais resistentes.