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Muito do que sabemos sobre os ritmos circadianos das plantas é resultado de experimentos de laboratório onde fatores como luz e temperatura podem ser rigorosamente controlados.
Sabe-se menos sobre como esses mecanismos biológicos de cronometragem operam no mundo natural mais imprevisível, onde evoluíram para alinhar os seres vivos aos ciclos diários e sazonais.
Um estudo colaborativo pioneiro entre pesquisadores do Reino Unido e do Japão ajudou a restabelecer o equilíbrio com uma série de experimentos de campo inovadores que mostram como as plantas combinam sinais de relógio com sinais ambientais sob condições naturalmente flutuantes.
Esta equipe de pesquisa do Centro John Innes, da Universidade de Kyoto, e do Laboratório Sainsbury, de Cambridge, produziu modelos estatísticos baseados nesses estudos de campo que podem nos ajudar a prever como as plantas, entre elas as principais culturas, podem responder às temperaturas futuras.
“Nossa pesquisa destaca o valor da colaboração internacional no progresso científico interdisciplinar”, disse o autor sênior Professor Antony Dodd, um líder de grupo no John Innes Centre. “É fascinante ver como os processos que identificamos no laboratório também funcionam para influenciar as plantas em condições naturais.”
O professor Hiroshi Kudoh da Universidade de Kyoto disse: “Qualquer sistema vivo evoluiu no contexto de seu habitat natural. Há muito trabalho pela frente para avaliar a função dos sistemas genéticos sob condições naturais. Este estudo foi projetado como um dos primórdios de tal esforço.”
Um estudo anterior do grupo do Professor Dodd identificou um caminho genético sob o controle do relógio biológico que opera para proteger plantas fotossintetizantes de danos celulares em condições de frio intenso.
No presente estudo, que aparece em Anais da Academia Nacional de Ciências ((PNAS)a equipe de pesquisa decidiu identificar esse mesmo mecanismo na natureza, com base em um forte conjunto de pesquisas “in natura” lideradas pelo Professor Hiroshi Kudoh.
Em dois estudos de campo realizados nos equinócios de março e setembro, eles analisaram uma população natural de plantas Arabidopsis halleri em um local de campo rural no Japão.
Eles monitoraram como a expressão genética nas plantas mudou ao longo de ciclos de 24 horas conforme a luz e a temperatura variavam.
Os experimentos envolveram a extração de RNA de plantas a cada duas horas, o congelamento dessas amostras e o seu retorno ao laboratório para análise, para que pudessem monitorar os níveis de expressão genética nos tecidos.
A equipe também construiu equipamentos que permitiram que eles manipulassem as temperaturas ao redor das plantas. Isso permitiu que eles recapitulassem as condições que eles produziram no laboratório em seu estudo anterior.
As plantas são altamente sensíveis à luz vermelha e azul; então, para evitar influenciar os resultados experimentais, os pesquisadores usaram filtros verdes sobre suas lanternas de cabeça, o que efetivamente significava que elas ficavam invisíveis para as plantas durante as visitas noturnas.
“É surpreendente como é difícil identificar plantas verdes com uma lanterna de cabeça verde no meio da noite, sob chuva torrencial”, comentou o professor Dodd.
Usando as informações coletadas das amostras, os pesquisadores observaram padrões na expressão de genes na via genética descoberta anteriormente, que integra informações do relógio circadiano da planta com sinais de luz e temperatura.
Os dados coletados mostraram que as plantas em populações selvagens apresentaram a mesma sensibilidade às condições frias e ao amanhecer, observadas anteriormente em experimentos de laboratório.
Com base nessas informações, a equipe desenvolveu modelos estatísticos que preveem com precisão como a atividade de expressão genética sob o controle do relógio circadiano responderá aos sinais ambientais ao longo de um dia na natureza.
“Acreditamos que esta seja a primeira vez que alguém modelou um caminho completo de sinalização do relógio circadiano em plantas que crescem ao ar livre”, disse o professor Dodd.
“Se pudermos produzir modelos capazes de prever com precisão a expressão genética em relação às condições ambientais, então poderá ser possível criar plantas capazes de se adaptar às condições climáticas futuras.”
O Dr. Haruki Nishio da Universidade de Shiga, primeiro autor conjunto do estudo, disse: “A flexibilidade da modelagem de séries temporais bayesianas nos permitiu desembaraçar a integração de sinais complexos em ambientes naturais. Essa abordagem provou ser particularmente eficaz para estudos conduzidos em cenários ambientais complexos.”
Este estudo examinou as respostas das plantas no nível da expressão genética. O próximo estágio desta pesquisa é aplicar os modelos estatísticos produzidos neste estudo a funções da fisiologia vegetal, como a taxa de fotossíntese ou adaptação à temperatura.
A Dra. Dora Cano-Ramirez, pesquisadora do relógio circadiano atualmente no Laboratório Sainsbury da Universidade de Cambridge e primeira autora conjunta da pesquisa, disse: “O relógio circadiano regula muitos processos importantes das plantas, como demonstrado em estudos em ambientes de laboratório. No entanto, não sabíamos até que ponto esses processos se traduzem em condições de campo até agora.”
“Entender como os processos regulados circadianamente estão alinhados com um ambiente flutuante por meio da modelagem dessa via de sinalização pode ser útil para prever as respostas das plantas em um clima cada vez mais imprevisível.”
“Integração de sinais circadianos e ambientais em uma população natural de Arabidopsis”, aparece em PNAS.
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