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As leguminosas prosperam em ambientes com baixo teor de nitrogênio ao se associarem a rizóbios, bactérias do solo que convertem nitrogênio atmosférico em amônio, uma forma utilizável para as plantas. Essas bactérias benéficas são alojadas em nódulos radiculares formados em raízes de leguminosas. No entanto, a formação descontrolada de numerosos nódulos radiculares pode impedir a função da raiz. Para evitar isso, as leguminosas precisam regular a distribuição e o número de nódulos radiculares, mas os mecanismos precisos não estavam claros anteriormente.
Pesquisas recentes sobre Lótus japonicusuma planta leguminosa modelo, revelou que a interação entre raízes de leguminosas e rizóbios é caracterizada pela expressão gênica periódica com um ritmo de seis horas. Essa expressão gênica rítmica influencia as regiões da raiz suscetíveis à infecção rizobiana e a distribuição de nódulos. Também foi descoberto que o hormônio vegetal citocinina é crucial para manter esse ritmo de expressão gênica. Este estudo inovador, publicado em Ciênciaé um esforço colaborativo conduzido pelo Instituto Nacional de Biologia Básica, Instituto de Ciência e Tecnologia de Nara, Universidade de Hokkaido, Universidade Kwansei Gakuin, RIKEN e Universidade de Educação de Aichi.
Quando os rizóbios infectam raízes de leguminosas, as células epidérmicas da raiz formam fios de infecção, estruturas semelhantes a tubos membranosos que guiam as bactérias para o tecido interno da raiz, onde podem fixar nitrogênio. A infecção por rizóbios ocorre principalmente em uma região estreita da raiz logo atrás da ponta da raiz, conhecida como região suscetível. A geração contínua de células na ponta da raiz cria perpetuamente novas regiões suscetíveis. Idealmente, os fios de infecção seriam distribuídos uniformemente por toda a raiz. No entanto, um exame mais detalhado revela um padrão de fios de infecção densamente formados alternando com regiões mais esparsas, sugerindo respostas intermitentes em vez de contínuas aos rizóbios. Estudos detalhados sobre a resposta dinâmica das raízes aos rizóbios ao longo do tempo têm faltado.
Usando imagens ao vivo de luminescência com luciferase como repórter, a equipe de pesquisa observou que NSP1 a expressão gênica, rapidamente induzida em resposta a rizóbios e essencial para o processo de infecção, exibiu padrões oscilatórios em intervalos de aproximadamente seis horas na região suscetível. Conforme a raiz crescia, novos locais de expressão apareciam apicalmente às regiões de oscilação anteriores. “Notamos que essas regiões de oscilação coincidem com áreas onde os fios de infecção são densamente formados, o que nos leva a pensar que essa expressão gênica rítmica pode estar relacionada à determinação dos locais de formação de nódulos”, disse o Dr. Takashi Soyano, professor associado do Instituto Nacional de Biologia Básica, membro da equipe de pesquisa. Consistente com essa noção, uma grande população de nódulos radiculares foi formada na região de oscilação, sugerindo uma ligação entre a expressão gênica rítmica e a formação de nódulos. Outros genes essenciais para respostas iniciais durante a simbiose de nódulos também exibiram padrões de expressão oscilatória, marcando a primeira evidência de expressão gênica periódica em resposta a rizóbios.
A citocinina, um regulador-chave na simbiose do nódulo radicular, mantém essa expressão gênica oscilatória. Genes relacionados à biossíntese, metabolismo e sinalização da citocinina exibiram expressão oscilatória após a inoculação rizobiana. A imagem de luminescência usando o marcador de resposta à citocinina TCSn revelou respostas oscilatórias da citocinina, alinhando-se com o tempo das flutuações do conteúdo ativo da citocinina.
O estudo utilizou mutantes de um receptor de citocinina LHK1 para explorar o papel da citocinina na periodicidade da expressão gênica. Em mutantes sem LHK1 funcional, intervalos oscilantes do periódico NSP1 a expressão foi prolongada, expandindo a região da raiz onde NSP1 a expressão oscila. Por outro lado, em plantas transformadas com uma forma ativada de LHK1, a indução de NSP1 a expressão foi suprimida, levando à perda de sua periodicidade. NSP1 a região de oscilação coincidiu com a área de formação de densos fios de infecção. lhk1 mutantes com perda de função exibiram segmentos de raiz aumentados formando fios de infecção densos, enquanto o LHK1 ativo reduziu as densidades dos fios de infecção. Essas descobertas ressaltam a importância da resposta adequada da citocinina na manutenção da oscilação simbiótica e na garantia da distribuição adequada dos fios de infecção.
A simbiose do nódulo radicular ocorre no clado monofilético fixador de nitrogênio, incluindo quatro ordens, Fabales, Rosales, Cucurbitales e Fagales, indicando uma aquisição evolutiva compartilhada para interagir com bactérias fixadoras de nitrogênio. Entre elas, a família das leguminosas na ordem Fabales, onde a maioria das espécies se envolveu na simbiose do nódulo radicular, incorporou exclusivamente a via da citocinina como um importante módulo regulador para a simbiose. “A descoberta de respostas periódicas da citocinina foi inesperada, levantando várias questões, incluindo os mecanismos moleculares que estabelecem essa periodicidade e como essas respostas periódicas moldam as regiões de infecção”, disse o Dr. Soyano. Espera-se que abordar essas questões aprofunde a compreensão dos mecanismos reguladores da simbiose do nódulo radicular e avance a pesquisa sobre o controle espacial do desenvolvimento de órgãos por meio de respostas periódicas mediadas por hormônios vegetais.
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