Integração da matemática e ciência das plantas para explicar como as raízes das plantas geram um gradiente hormonal

Começando quando um embrião de planta se forma dentro de uma semente e continuando ao longo do ciclo de vida da planta, as células-tronco indiferenciadas passam por transformações radicais em células especializadas de raízes, caules, folhas e órgãos reprodutivos. Essa transformação é baseada em um conjunto de moléculas chamadas fitohormônios que, como os hormônios humanos, podem se mover entre células e tecidos e desencadear diferentes processos biológicos em todo o corpo. Embora desconhecidas na época, as mutações envolvendo a classe giberelina dos fitohormônios estavam por trás do desenvolvimento de muitas variedades de trigo e arroz semianão de alto rendimento que ajudaram a alimentar a Revolução Verde nas décadas de 1950 e 1960.

Las mutaciones dieron como resultado tallos más cortos, lo que permitió que las plantas de cultivo redirigieran la energía hacia el grano en crecimiento en lugar de los tallos y las hojas, y también impidieron el alojamiento causado cuando las plantas altas y delgadas se caen antes de A colheita. Ahora sabemos a través de los avances en herramientas moleculares y genéticas que las giberelinas (GA) regulan el crecimiento y el desarrollo a lo largo del ciclo de vida de la planta, desde la germinación de semillas, el alargamiento de tallos y raíces hasta la formación de flores. Portanto, não é surpreendente que o GA continue a atrair o interesse de cientistas de plantas que investigam como os hormônios controlam o crescimento das plantas e como um possível alvo para melhorias futuras na colheita.

Uma colaboração entre as equipes de pesquisa de Alexander Jones, do Laboratório Sainsbury da Universidade de Cambridge, e Leah Band e Markus Owen da Universidade de Nottingham, explica as etapas bioquímicas responsáveis ​​por uma distribuição distinta de GA observada no crescimento das plantas. PNAS Hoje dia. Sua pesquisa fornece um modelo valioso para a compreensão dos padrões de AG em outros tecidos vegetais e sua influência relacionada no desenvolvimento da planta.

“Como reguladores chave do crescimento e desenvolvimento das plantas, entender os hormônios vegetais é crucial para entender a dinâmica do crescimento das plantas, como eles respondem ao ambiente e para ajudar a identificar alvos futuros para melhorar a segurança alimentar”, disse a primeira autora, Dra. Annalisa Rizza.

“O GA é conhecido por regular a multiplicação e a expansão celular para aumentar a taxa de crescimento das raízes, mas ainda não temos uma ideia completa de como. Tínhamos observado anteriormente que havia um gradiente longitudinal distinto de GA a partir da ponta de alongamento de raiz a raiz. zona que se correlacionou com o tamanho da célula em raízes em crescimento da planta modelo Arabidopsis thaliana. Também observamos um gradiente gerado por GA exógeno com um acúmulo mais rápido de GA em células maiores, mas não sabíamos como esses padrões estavam sendo criados. “

Para ajudar a encontrar a resposta, os pesquisadores combinaram modelos matemáticos com observações experimentais para cavar nas células e ver quais atividades bioquímicas e / ou de transporte podem ser responsáveis.

Matemáticos da Universidade de Nottingham, Dra. Leah Band e o professor Markus Owen, desenvolveram um modelo computacional para simular a dinâmica do hormônio GA na raiz da planta, permitindo-lhes testar como diferentes processos contribuem para o gradiente de GA. Eles compararam os resultados de suas simulações de computador com as observações experimentais do biossensor GA desenvolvido pelo grupo de pesquisa de Jones.

“Tendo considerado vários cenários, descobrimos que as previsões do modelo só poderiam corresponder aos dados do biossensor GA, desde que as células da zona de alongamento tenham alta síntese de GA e maior permeabilidade”, acrescentou o Dr. Band.

A próxima etapa foi testar essas previsões por meio de experimentos. Usando o biossensor de GA, a equipe examinou as etapas principais envolvidas na biossíntese de GA e apontou as etapas principais de limitação de taxa associadas às enzimas envolvidas na biossíntese de GA e que a permeabilidade diferencial nas membranas celulares também desempenhou um papel fundamental na criação de gradientes de GA.

Eles mostraram que cada região da raiz possui uma combinação diferente de etapas regulatórias importantes, um nível de informação que antes não era acessível aos pesquisadores. Ainda mais surpreendente, uma etapa importante que geralmente se pensava limitar a velocidade era a menos importante para estabelecer a posição e a inclinação do gradiente raiz GA.

Além da síntese local de GA, a capacidade do GA de se mover entre as células também é considerada um fator importante. A equipe analisou a permeabilidade das membranas celulares ao GA e descobriu que as diferenças na permeabilidade celular contribuíram para a criação do gradiente gerado pelo GA exógeno.

“Pequenas quantidades desses hormônios químicos podem reprogramar uma célula vegetal e mudar completamente seu crescimento e fisiologia. Quais células vegetais produzem esses produtos químicos? Para onde e quando esses hormônios químicos vão? Estas são as questões centrais que estamos tentando responder”, explicou. Dr. Jones.

“Essas descobertas ajudam a explicar quais componentes desempenham papéis importantes que contribuem para como as plantas controlam a distribuição de um hormônio móvel. Existem vários componentes envolvidos nisso: processos que produzem mais GA, removem e transportam de e para a célula. Eles todos desempenham um papel. Esses podem ser alvos para mudanças de engenharia de nuances. A Revolução Verde foi ótima, mas há efeitos colaterais negativos que poderiam ser eliminados com distúrbios em escala mais fina no futuro.

“Esta compreensão detalhada de como a distribuição de AG está relacionada ao crescimento da raiz e como esses gradientes são controlados fornece um modelo valioso para avançar nossa compreensão de como as distribuições de hormônios influenciam o crescimento das plantas.”