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As primeiras plantas terrestres eram pequenas – com apenas alguns centímetros de altura no máximo – e restritas a habitats úmidos e pantanosos ao redor de riachos e lagoas. Há cerca de 400 milhões de anos, no entanto, as plantas desenvolveram sistemas vasculares para extrair água do solo com mais eficiência e usá-la para a fotossíntese, uma transição que alteraria para sempre a atmosfera e os ecossistemas da Terra. Uma equipe de pesquisadores agora resolveu um mistério paleontológico de 100 anos: como as plantas antigas emergiram de pântanos e margens de rios para novos habitats com acesso limitado à água?
Em um novo artigo publicado em CiênciaYSE Professor de Ecologia Fisiológica Vegetal Craig Brodersen e sua equipe de pesquisa, incluindo o autor principal Martin Bouda ’17 PhD, ’12 MPhil e Kyra A. Prats ’22 PhD, ’16 MFS, descobriram que uma simples mudança no sistema vascular das plantas tornou-os mais resistentes à seca, o que abriu novas paisagens para exploração.
A pesquisa foi estimulada por um debate de um século sobre por que o sistema vascular simples e cilíndrico das primeiras plantas terrestres mudou rapidamente para formas mais complexas. Na década de 1920, os cientistas observaram essa crescente complexidade no registro fóssil, mas não conseguiram identificar a razão – se é que havia uma – para as mudanças evolutivas.
Na última década, Brodersen e seus colegas exploraram as implicações de como os sistemas vasculares das plantas modernas são construídos, especialmente no contexto da seca. Quando as plantas começam a secar, as bolhas de ar ficam presas no xilema, que é o tecido especializado que transporta água e nutrientes do solo para os caules e folhas. As bolhas bloqueiam o movimento da água. Se não forem controlados, eles se espalham pela rede, desconectam as plantas do solo e, por fim, levam à morte das plantas. Evitar a formação e propagação dessas bolhas é de importância crítica para tolerar a seca hoje, e a equipe de pesquisa aplicou esse mesmo pensamento para explicar os padrões de organização vascular no registro fóssil.
Os sistemas vasculares em forma de cilindro nas primeiras plantas terrestres, que eram semelhantes a um feixe de palha, inicialmente os serviram bem em seus primeiros habitats aquáticos. Mas à medida que se mudaram para terras com menos recursos hídricos, as plantas tiveram que superar as bolhas de ar induzidas pela seca. As primeiras plantas terrestres fizeram isso reconfigurando o xilema ancestral de forma cilíndrica em formas mais complexas que impediam a propagação de bolhas de ar.
Historicamente, as observações de crescente complexidade vascular no registro fóssil foram consideradas coincidências e de importância marginal, um subproduto de plantas crescendo em tamanho e desenvolvendo uma arquitetura mais complexa. O novo estudo reverte essa visão.
“Isso não aconteceu simplesmente. Na verdade, há uma boa razão evolutiva”, diz Bouda. “Houve uma forte pressão da seca que fez isso acontecer. Esse era o enigma de cem anos, que agora respondemos.”
Bouda observa que a composição da equipe de pesquisadores coautora do estudo, que incluía um paleobotânico, fisiologistas de plantas e um hidrólogo, ajudou a fornecer técnicas e perspectivas que os levaram a descobrir o motivo da complexa estrutura vascular que surgiu em Plantas da era Devoniana. A equipe usou microscopia e análise anatômica para visualizar o funcionamento interno de espécimes de plantas, que incluíam espécimes fósseis do Yale Peabody Museum e plantas vivas da Yale Myers Forest, do Marsh Botanical Garden, do New York Botanical Garden e da Universidade de Connecticut. . Usando essas informações, a equipe previu configurações vasculares que poderiam tolerar a seca e ilustrou como mudanças aparentemente simples na forma levam a melhorias profundas na tolerância à seca.
“Toda vez que uma planta se desvia desse sistema vascular cilíndrico, toda vez que muda um pouco, a planta recebe uma recompensa em termos de sua capacidade de sobreviver à seca. E se essa recompensa estiver constantemente presente, ela forçará as plantas a a direção do antigo sistema vascular cilíndrico em direção a essas formas mais complexas”, diz Brodersen. “Ao fazer essas mudanças muito pequenas, as plantas resolveram esse problema que tiveram que resolver muito cedo na história da Terra, caso contrário, as florestas que vemos hoje simplesmente não existiriam”.
Essas mudanças aconteceram muito rapidamente – em prazos paleontológicos, isto é – ao longo de aproximadamente 20 a 40 milhões de anos. As forças motrizes por trás da mudança na estrutura vascular das plantas podem ajudar a informar a pesquisa sobre a criação de plantas resistentes à seca, ajudando a criar resiliência aos impactos das mudanças climáticas e a abordar questões de insegurança alimentar relacionadas à produção.
“Agora que temos uma melhor compreensão de como os sistemas vasculares são formados e como isso influencia a capacidade da planta de tolerar a seca, esse é o tipo de coisa que poderia ser usada como alvo para programas de melhoramento – por exemplo, fazer raízes melhores sistemas, fazendo melhores sistemas vasculares nas plantas”, diz Brodersen.
Os co-autores do estudo incluem Brett A. Huggett, professor associado de biologia do Bates College; Jay Wason, professor assistente de fisiologia do ecossistema florestal da Universidade do Maine; e Jonathan Wilson, professor associado de estudos ambientais do Haverford College.
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