Relógios biológicos na natureza

Sabe-se menos sobre como esses mecanismos biológicos de cronometragem operam no mundo natural mais imprevisível, onde evoluíram para alinhar os seres vivos aos ciclos diários e sazonais.

Um estudo colaborativo pioneiro entre pesquisadores do Reino Unido e do Japão ajudou a restabelecer o equilíbrio com uma série de experimentos de campo inovadores que mostram como as plantas combinam sinais de relógio com sinais ambientais sob condições naturalmente flutuantes.

Esta equipe de pesquisa do John Innes Center, da Universidade de Kyoto, e do Sainsbury Laboratory, de Cambridge, produziu modelos estatísticos baseados nesses estudos de campo que podem nos ajudar a prever como as plantas, entre elas as principais culturas, podem responder às temperaturas futuras.

As bactérias constituem mais de 10% de todos os seres vivos, mas até recentemente tínhamos pouca consciência de que, assim como os humanos, as bactérias do solo têm relógios internos que sincronizam suas atividades com os ciclos de 24 horas do dia e da noite

( A ) Arquitetura potencial de uma via de transdução de sinal subjacente à sinalização mediada por SIG5 para cloroplastos, com entradas ambientais ocorrendo em várias posições. t1 e t2 representam o tempo necessário para a transdução de sinal entre cada componente da via. ( B ) Uma fotografia do sítio do rio Omoide-gawa, que tem populações naturais de A. halleri . A maioria das plantas no nível do solo nas margens rochosas do rio são A. halleri . ( C e D ) Exemplos de plantas de A. halleri em estágio de roseta crescendo sob ( C ) condições de sol e ( D ) sombra. Todas as fotografias foram tiradas durante a temporada de amostragem de setembro de 2015

“Nossa pesquisa destaca o valor da colaboração internacional no progresso científico interdisciplinar”, disse o autor sênior Professor Antony Dodd, líder de grupo no John Innes Center. “É fascinante ver como os processos que identificamos no laboratório também funcionam para influenciar plantas em condições naturais”.

O professor Hiroshi Kudoh da Universidade de Kyoto disse: “Qualquer sistema vivo evoluiu no contexto de seu habitat natural. Há muito trabalho pela frente para avaliar a função dos sistemas genéticos sob condições naturais. Este estudo foi projetado como um dos primórdios de tal esforço”.

Um estudo anterior do grupo do Professor Dodd identificou um caminho genético sob o controle do relógio biológico que opera para proteger plantas fotossintetizantes de danos celulares em condições de frio intenso. No presente estudo, “Integração de sinais circadia- nos e ambientais em uma população natural de Arabidopsis”, que aparece na PNAS, a equipe de pesquisa se propôs a identificar esse mesmo mecanismo na natureza, com base em um forte conjunto de pesquisas “in natura” lideradas pelo Professor Hiroshi Kudoh.

Em dois estudos de campo realizados nos equinócios de março e setembro, eles analisaram uma população natural de plantas Arabidopsis halleri em um local de campo rural no Japão.

Eles monitoraram como a expressão genética nas plantas mudou ao longo de ciclos de 24 horas conforme a luz e a temperatura variavam.

Os experimentos envolveram a extração de RNA de plantas a cada duas horas, o congelamento dessas amostras e o seu retorno ao laboratório para análise, para que pudessem monitorar os níveis de expressão genética nos tecidos.

A equipe também construiu equipamentos que permitiram que eles manipulassem as temperaturas ao redor das plantas. Isso permitiu que eles recapitulassem as condições que eles produziram no laboratório em seu estudo anterior.As plantas são altamente sensíveis à luz vermelha e azul; então, para evitar influenciar os resultados experimentais, os pesquisadores usaram filtros verdes sobre suas lanternas de cabeça, o que efetivamente significava que elas ficavam invisíveis para as plantas durante as visitas noturnas.“É surpreendente como é difícil identificar plantas verdes com uma lanterna de cabeça verde no meio da noite, sob chuva torrencial”, comentou o professor Dodd.

Usando as informações coletadas das amostras, os pesquisadores observaram padrões na expressão de genes na via genética descoberta anteriormente, que integra informações do relógio circadiano da planta com sinais de luz e temperatura. Os dados coletados mostraram que as plantas em populações selvagens apresentaram a mesma sensibilidade às condições frias e ao amanhecer observadas anteriormente em experimentos de laboratório.Com base nessas informações, a equipe desenvolveu modelos estatísticos que preveem com precisão como a atividade de expressão genética sob o controle do relógio circadiano responderá aos sinais ambientais ao longo de um dia na natureza. “Acreditamos que esta seja a primeira vez que alguém modelou um caminho completo de sinalização do relógio circadiano em plantas que crescem ao ar livre”, disse o professor Dodd.

“Se pudermos produzir modelos capazes de prever com precisão a expressão genética em relação às condições ambientais, então poderá ser possível criar plantas capazes de se adaptar às condições climáticas futuras.”

O Dr. Haruki Nishio da Universidade de Shiga, primeiro autor conjunto do estudo, disse: “A flexibilidade da modelagem de séries temporais bayesianas nos permitiu desembaraçar a integração de sinais complexos em ambientes naturais. Essa abordagem provou ser particularmente eficaz para estudos conduzidos em cenários ambientais complexos”.Este estudo examinou as respostas das plantas no nível da expressão genética.

O próximo estágio desta pesquisa é aplicar os modelos estatísticos produzidos neste estudo a funções da fisiologia vegetal, como a taxa de fotossíntese ou adaptação à temperatura.

A Dra. Dora Cano-Ramirez, pesquisadora do relógio circadiano agora no Sainsbury Laboratory Cambridge University e primeira autora conjunta da pesquisa, disse: “O relógio circadiano regula muitos processos-chave das plantas, conforme demonstrado em estudos em ambientes de laboratório. No entanto, não sabíamos até que ponto esses processos se traduzem em condições de campo até agora.”

“Entender como os processos regulados circadianamente estão alinhados com um ambiente flutuante por meio da modelagem dessa via de sinalização pode ser útil para prever as respostas das plantas em um clima cada vez mais imprevisível”.

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