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Há mais de 50 anos, pesquisadores descobriram que as plantas podem sentir o dióxido de carbono (CO2) concentrações. como CO2 os níveis mudam, os poros “respiratórios” nas folhas chamados estômatos abrem e fecham, controlando assim a evaporação da água, a fotossíntese e o crescimento da planta. As plantas perdem mais de 90% de sua água por evaporação através dos estômatos. A regulação das aberturas dos poros estomáticos pelo CO2 é crucial para determinar quanta água as plantas perdem e é crítico devido ao aumento dos efeitos do dióxido de carbono no clima e nos recursos hídricos em um mundo em aquecimento.
Mas identificar o sensor de dióxido de carbono e explicar como ele opera nas plantas continua sendo um quebra-cabeça de longa data.
Usando uma mistura de ferramentas e abordagens de pesquisa, cientistas da Universidade da Califórnia em San Diego recentemente alcançaram um avanço na identificação do tão procurado CO2 sensor em Arabidopsis plantas e desvendou suas partes funcionais. O cientista do projeto da UC San Diego, Yohei Takahashi, o ilustre professor da Escola de Ciências Biológicas Julian Schroeder e seus colegas identificaram o CO2 mecanismo do sensor e detalhou suas propriedades estruturais genéticas, bioquímicas, fisiológicas e previstas. Seus resultados são publicados em 7 de dezembro em Avanços da Ciência.
Uma vez que os poros estomáticos controlam a perda de água da planta, o sensor é vital para o gerenciamento de água e tem implicações para secas induzidas pelo clima, incêndios florestais e manejo de culturas agrícolas.
“Para cada molécula de dióxido de carbono absorvida, uma planta típica perde cerca de 200 a 500 moléculas de água por evaporação através dos poros estomáticos”, disse Schroeder, presidente da Novartis e membro do corpo docente do Departamento de Biologia Celular e do Desenvolvimento. “O sensor é extremamente relevante porque reconhece quando o CO2 as concentrações sobem e determinam quanta água uma planta perde quando o dióxido de carbono é absorvido.”
Uma surpresa crítica da nova pesquisa foi a composição do sensor. Em vez de rastreá-lo até uma única fonte ou proteína, os pesquisadores descobriram que o sensor opera por meio de duas proteínas vegetais trabalhando juntas. Estes foram identificados como 1) uma proteína quinase de “alta temperatura da folha1” conhecida como HT1 e 2) membros específicos de uma família de proteínas quinases ativadas por mitógenos, ou enzima quinase “MAP”, conhecidas como MPK4 e MPK12.
“Nossas descobertas revelam que as plantas sentem mudanças no CO2 concentração pela interação reversível de duas proteínas para regular os movimentos estomáticos”, disse Takahashi, que agora trabalha no Instituto de Biomoléculas Transformativas, no Japão. CO2 absorção da atmosfera”.
As descobertas da equipe, que foram arquivadas em uma patente da UC San Diego, podem levar a inovações no uso eficiente da água pelas plantas como CO2 os níveis sobem.
“Esta descoberta é relevante para as culturas, mas também para as árvores e suas raízes profundas que podem secar os solos se não chover por longos períodos, o que pode levar a incêndios florestais”, disse Schroeder. “Se pudermos usar esta nova informação para ajudar as árvores a responder melhor aos aumentos de CO2 na atmosfera, é possível que eles secassem o solo mais lentamente. Da mesma forma, a eficiência do uso da água nas plantações pode ser melhorada – mais colheita por gota.”
Para explorar ainda mais a descoberta do sensor, os pesquisadores colaboraram com o estudante de pós-graduação Christian Seitz e o professor Andrew McCammon no Departamento de Química e Bioquímica. Usando técnicas de ponta, Seitz e McCammon criaram um modelo detalhado da intrincada estrutura do sensor. O modelo implicou áreas onde as mutações genéticas são conhecidas por restringir a capacidade das plantas de regular a transpiração em resposta ao dióxido de carbono. As novas imagens mostraram que os mutantes se agrupam em uma área onde as duas proteínas sensoras, HT1 e MPK, se juntam.
“Este trabalho é um exemplo maravilhoso de pesquisa motivada pela curiosidade que reúne várias disciplinas – da genética à modelagem e biologia de sistemas – e resulta em novos conhecimentos com a capacidade de ajudar a sociedade, neste caso, fazendo colheitas mais robustas”, disse. disse Matthew Buechner, diretor de programa da Diretoria de Ciências Biológicas da National Science Foundation dos EUA, que apoiou a pesquisa.
A lista completa de autores do artigo: Yohei Takahashi, Krystal Bosmans, Po-Kai Hsu, Karnelia Paul, Christian Seitz, Chung-Yueh Yeh, Yuh-Shuh Wang, Dmitry Yarmolinsky, Maija Sierla, Triin Vahisalu, J. Andrew McCammon, Jaakko Kangasjarvi, Li Zhang, Hannes Kollist, Thien Trac e Julian I. Schroeder.
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