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Uma nova compreensão dos ritmos circadianos pode ser a chave para melhores colheitas

Traduzido de Science Daily

O relógio biológico de uma cultura alimentar popular controla cerca de três quartos de seus genes, de acordo com uma pesquisa do Dartmouth College.

A pesquisa genética mostra como as plantações usam respostas internas ao ciclo dia-noite, conhecidas como ritmos circadianos, para regular processos como reprodução, fotossíntese e reações a condições estressantes.

O estudo, publicado na revista eLife, pode ajudar os pesquisadores a identificar genes para aumentar o crescimento e a resistência ao estresse quando uma planta se muda para uma nova região ou encontra mudanças nas condições climáticas.

“Uma vez que as plantas são cultivadas em novas áreas geográficas, elas devem selecionar características que lhes permitam sobreviver em diferentes condições”, disse C. Robertson McClung, professor de biologia em Dartmouth e principal investigador do estudo. “Muitas dessas características são encontradas nos genes do relógio circadiano.”

Assim como os animais, as plantas possuem relógios biológicos que lhes permitem se adaptar a mudanças previsíveis, como os ciclos diurnos e noturnos ou a mudança das estações. Embora os animais possam se deslocar para se adaptar a essas mudanças ambientais, as plantas ficam presas no lugar. Para sobreviver, as plantas precisam ativar e desativar os genes para alterar suas funções biológicas.

A equipe de pesquisa usou o sequenciamento de RNA para identificar como os genes da popular safra de Brassica rapa são controlados pelo mecanismo de tempo interno da planta. A espécie B. rapa inclui variedades como nabos, sementes oleaginosas, couve chinesa e vegetais folhosos.

No estudo, as plantas foram expostas a condições normais com dias quentes e noites frias. Eles foram então removidos desse ambiente e amostrados por um período de dois dias para revelar quais genes estavam ativos em resposta aos sinais do relógio interno da planta.

A pesquisa descobriu que mais de 16.000 genes, cerca de três quartos de todos os genes de plantas, são regulados por ritmos circadianos na ausência de mudanças de luz e temperatura.

“Ficamos surpresos ao descobrir que um número tão alto de genes é regulado pelo relógio biológico. Isso enfatiza a importância do controle do relógio circadiano de muitas funções dentro da planta”, disse McClung.

Muitas plantas agrícolas, como trigo, batata e brássica, dobraram ou triplicaram seus complementos genéticos completos. Isso levou os pesquisadores a questionar qual efeito os pares de genes extras têm no relógio biológico da planta ou nos processos de sobrevivência, como resistência à seca.

A equipe de pesquisa descobriu que as cópias extras do gene são normalmente ativas em horários diferentes do dia de seus pares de genes.

Além disso, os pesquisadores descobriram que muitas vezes apenas um membro de um par de genes duplicados respondia à seca. Em ambos os casos, as diferenças no momento da ativação do gene, ou em resposta à seca, devem ter ocorrido depois que os genes foram duplicados.

As descobertas levam à conclusão de que a mesma duplicação de genes responsável por um relógio biológico mais sensível também cria mais resistência à seca.

“Durante a evolução das plantas terrestres, o número de pares de genes se expandiu”, disse Kathleen Greenham, professora assistente de biologia vegetal e microbiana da Universidade de Minnesota, que co-liderou o estudo como pesquisadora de pós-doutorado em Dartmouth. “Um conjunto de cópias pode sustentar processos críticos de crescimento, enquanto os outros são livres para desenvolver novas funções que os pesquisadores podem usar para produzir safras resistentes ao estresse.”

Identificar diferenças dentro dos pares de genes que os tornam responsivos ou não às condições de seca pode fornecer aos pesquisadores uma maneira de ajudar as plantas a aumentar a resiliência às mudanças induzidas pelo clima.

“A hora do dia é importante para a expressão do gene quando se trata de lidar com a seca”, disse Ryan Sartor, pesquisador de pós-doutorado na North Carolina State University que co-liderou o estudo. “Este é o primeiro passo para ajudar a entender as relações básicas. Uma compreensão mais completa deste sistema complexo pode levar ao desenvolvimento de safras mais resistentes ao estresse.”

De acordo com a equipe de pesquisa, os ritmos circadianos que regulam grande parte da biologia vegetal são provavelmente influenciados pelas mudanças climáticas, à medida que os sinais ambientais se tornam menos confiáveis. Isso torna difícil para as plantas se adaptarem e sobreviverem, mas também serve como uma pista para os pesquisadores que procuram maneiras de construir a resiliência das plantas.



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