Pesquisadores descobrem universo paralelo na genética do tomate

No Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular do estado de Michigan, mudas de tomate são cultivadas para a pesquisa do último laboratório sobre a família de plantas Solanaceae, também conhecida como nightshades. Os pesquisadores analisaram diferenças químicas únicas entre raízes e brotos, ambos contendo acilaçúcares. Crédito:Connor Yeck/MSU

Em um artigo publicado na revista Science Advances , Pesquisadores da Michigan State University desvendaram um surpreendente mistério genético centrado nos açúcares encontrados no que os jardineiros conhecem como “alcatrão de tomate”.

Qualquer pessoa que tenha podado tomateiros com as mãos nuas provavelmente encontrou seus dedos escurecidos com uma substância pegajosa, preta e dourada, que não sai bem da água. Este alcatrão de tomate é pegajoso por um bom motivo. É feito de açúcares - acilaçúcares, para ser mais preciso - e atua como uma espécie de papel mata-moscas natural para possíveis pragas.

“As plantas evoluíram para produzir tantos venenos incríveis e outros compostos biologicamente ativos”, disse o pesquisador do estado de Michigan, Robert Last, líder do novo estudo.

O último laboratório é especializado em acilaçúcares e nas minúsculas estruturas semelhantes a cabelos onde são produzidos e armazenados, conhecidas como tricomas. Uma vez pensado para ser encontrado exclusivamente em tricomas, outros pesquisadores relataram recentemente ter encontrado acilaçúcares também em raízes de tomate. Esta foi uma surpresa para a comunidade científica das plantas.

Em seu estudo, a equipe da Michigan State University queria aprender como esses acilaçúcares de raiz funcionavam e de onde eles vieram. Eles descobriram que não apenas os tomateiros sintetizam acilaçúcares quimicamente únicos em suas raízes e tricomas, mas esses acilaçúcares são produzidos através de duas vias metabólicas paralelas.

Isso equivale a linhas de montagem em uma fábrica de automóveis que fabricam dois modelos diferentes do mesmo carro, mas nunca interagem.

Estas descobertas estão a ajudar os cientistas a compreender melhor a resiliência e a história evolutiva das Solanaceae, ou nightshades, uma extensa família de plantas que inclui tomates, beringelas, batatas, pimentos, tabaco e petúnias. Eles também poderiam ajudar a informar os pesquisadores que buscam desenvolver moléculas produzidas por plantas em compostos para ajudar a humanidade.

“Desde produtos farmacêuticos a pesticidas e protetores solares, muitas moléculas pequenas que os humanos adaptaram para diferentes usos vêm da corrida armamentista entre plantas, micróbios e insetos”, disse Last.

Raízes e brotos

Além dos principais produtos químicos essenciais para o crescimento, as plantas também produzem um tesouro de compostos que desempenham um papel crucial nas interações ambientais. Estes podem atrair polinizadores úteis e são a primeira linha de defesa contra organismos prejudiciais.

“O que é tão notável sobre estes metabólitos especializados é que eles são normalmente sintetizados em células e tecidos altamente precisos”, disse Rachel Kerwin, pesquisadora de pós-doutorado na MSU e primeira autora do último artigo.

"Tomemos, por exemplo, os acilaçúcares. Você não os encontrará produzidos nas folhas ou caules de um tomateiro. Esses metabólitos de defesa fisicamente pegajosos são produzidos na ponta dos tricomas."

Quando foi relatado que os acilaçúcares também poderiam ser encontrados nas raízes do tomate, Kerwin interpretou isso como um apelo ao antiquado trabalho de detetive genético.

“A presença desses acilaçúcares nas raízes foi fascinante e levou a muitas questões. Como isso aconteceu, como eles são feitos e são diferentes dos acilaçúcares de tricomas que temos estudado?”

Para começar a enfrentar o enigma evolutivo, os membros do laboratório colaboraram com especialistas do Núcleo de Espectrometria de Massa e Metabolômica da MSU, bem como com a equipe da instalação de Ressonância Magnética Nuclear Max T. Rogers.

Ao comparar os metabólitos das raízes e brotos das mudas de tomate, surgiram diversas diferenças. A composição química básica dos acilaçúcares acima e abaixo do solo era visivelmente diferente, tanto que eles poderiam ser definidos inteiramente como classes diferentes de acilaçúcares.

Quebrando o carro

Por último, um ilustre professor universitário do Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular e do Departamento de Biologia Vegetal da Faculdade de Ciências Naturais da MSU oferece uma analogia útil para explicar como um geneticista aborda a biologia.

“Imagine tentar descobrir como funciona um carro quebrando um componente de cada vez”, disse ele. "Se você achatar os pneus de um carro e perceber que o motor ainda funciona, você descobriu um fato crítico, mesmo que não saiba exatamente o que os pneus fazem." Troque peças de carro por genes e você terá uma imagem mais clara do trabalho realizado pelo último laboratório para decifrar ainda mais o código dos acilaçúcares de raiz.

Observando os dados públicos de sequência genética, Kerwin percebeu que muitos dos genes expressos na produção de acilaçúcar de tricoma de tomate tinham parentes próximos nas raízes. Depois de identificar uma enzima que se acredita ser o primeiro passo na biossíntese do acilaçúcar da raiz, os pesquisadores começaram a “quebrar o carro”.

Da esquerda para a direita:Jaynee Hart, Rachel Kerwin e Robert Last posam em frente ao equipamento analítico no Núcleo de Espectrometria de Massa e Metabolômica da Michigan State University. A equipe de pesquisadores desvendou um mistério evolutivo e genético no tomate. Crédito:Connor Yeck/MSU

Quando eles eliminaram o gene candidato ao acilaçúcar da raiz, a produção de acilaçúcar da raiz desapareceu, deixando a produção de acilaçúcar do tricoma intacta. Enquanto isso, quando o bem estudado gene do acilaçúcar do tricoma foi eliminado, a produção de acilaçúcar da raiz continuou normalmente.

Estas descobertas ofereceram provas impressionantes de uma suspeita de espelhamento metabólico.

“Ao lado da via do acilaçúcar acima do solo que estudamos há anos, aqui encontramos este segundo universo paralelo que existe no subsolo”, disse Last.

“Isso confirmou que temos dois caminhos coexistindo na mesma planta”, acrescentou Kerwin.

Para concretizar esta descoberta, Jaynee Hart, pesquisadora de pós-doutorado e segunda autora do artigo mais recente, examinou mais de perto as funções dos tricomas e das enzimas das raízes. Assim como as enzimas dos tricomas e os acilaçúcares que elas produzem são uma combinação química bem estudada, ela também encontrou uma ligação promissora entre as enzimas das raízes e os acilaçúcares das raízes.

“Estudar enzimas isoladas é uma ferramenta poderosa para verificar sua atividade e tirar conclusões sobre seu papel funcional dentro da célula vegetal”, explicou Hart.

Estas descobertas foram mais uma prova das vias metabólicas paralelas que existem numa única planta de tomate.

"Plantas e carros são tão diferentes, mas semelhantes, pois quando você abre o proverbial capô, você se torna consciente da infinidade de peças e conexões que os fazem funcionar. Este trabalho nos dá novos conhecimentos sobre uma dessas partes dos tomateiros e estimula ainda mais pesquisas sobre sua evolução e função e se podemos utilizá-lo de outras maneiras", disse Pankaj Jaiswal, diretor de programa da Fundação Nacional de Ciência dos EUA.

“Quanto mais aprendemos sobre os seres vivos – desde tomates e outras culturas, até animais e micróbios – mais amplas serão as oportunidades de empregar esse aprendizado em benefício da sociedade”, acrescentou.

Clusters dentro de clusters

O artigo também relata uma reviravolta fascinante e inesperada relacionada aos agrupamentos de genes biossintéticos, ou BGCs. BGCs são coleções de genes agrupados fisicamente no cromossomo e contribuem para uma via metabólica específica.

Anteriormente, o último laboratório identificou um BGC contendo genes ligados a acilaçúcares de tricomas em tomateiros. Kerwin, Hart e seus colaboradores descobriram agora que a enzima acilaçúcar expressa na raiz reside no mesmo cluster.

“Normalmente, nas BGCs, os genes são co-expressos nos mesmos tecidos e sob condições semelhantes”, disse Kerwin.

"Mas aqui temos dois grupos de genes separados, mas interligados. Alguns expressos em tricomas e outros expressos em raízes."

Esta revelação levou Kerwin a mergulhar na trajetória evolutiva das espécies de Solanaceae, na esperança de identificar quando e como essas duas vias únicas de acilaçúcar se desenvolveram.

Especificamente, os pesquisadores chamaram a atenção para um momento há cerca de 19 milhões de anos, quando a enzima responsável pelos acilaçúcares dos tricomas foi duplicada. Esta enzima um dia seria responsável pela recém-descoberta via do acilaçúcar expresso na raiz.

O mecanismo exato que “ligou” esta enzima nas raízes permanece desconhecido, abrindo caminho para que o último laboratório continue a desvendar os segredos evolutivos e metabólicos da família das beladonas.

“Trabalhar com Solanaceae proporciona muitos recursos científicos, bem como uma forte comunidade de investigadores”, disse Kerwin. "Pela sua importância como culturas e na horticultura, estas são plantas com as quais os humanos se preocupam há milhares de anos."

Por último, estes avanços são também um lembrete da importância dos pesticidas naturais, que representam, em última análise, metabolitos de defesa como os acilaçúcares.

"Se descobrirmos que esses acilaçúcares de raiz são eficazes em repelir organismos prejudiciais, eles poderiam ser transformados em outras solanáceas, ajudando assim as plantas a crescerem sem a necessidade de fungicidas e pesticidas sintéticos prejudiciais?" Última pergunta.

“Estas são questões que estão no cerne da busca da humanidade por água mais pura, alimentos mais seguros e uma dependência reduzida de produtos químicos sintéticos nocivos”.

Mais informações: Rachel Kerwin et al, Metabólitos especializados de raiz de tomate evoluíram através de duplicação genética e divergência regulatória dentro de um cluster de genes biossintéticos, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn3991. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3991
Informações do diário: Avanços da ciência

Fornecido pela Michigan State University

Biosfera escondida descoberta sob o deserto quente mais seco do mundo

O pesquisador descobre que as rãs da floresta evoluíram rapidamente em resposta aos sais das estradas

Biologia