Os estômatos são poros exclusivos das plantas e encontrados na epiderme da maioria dos tecidos aéreos. Estômatos atuam como porteiros para permitir a entrada de dióxido de carbono (CO₂) na folha para fotossíntese à custa da perda de vapor de água via transpiração. A abertura e o fechamento dos estômatos são controlados pelas células-guarda, que incham e encolhem à medida que os íons se movem para dentro e para fora delas, respectivamente (Figura 1).

Durante a abertura estomática, solutos osmoticamente ativos acumulam-se no interior das células-guarda, o que aumenta a concentração do soluto, resultando em maior pressão osmótica no interior da célula. Esse desequilíbrio de solutos entre o interior e o exterior da membrana plasmática deve ser equilibrado pelo fluxo de água para dentro da célula que eventualmente causa mudanças na pressão de turgor. Um aumento na pressão de turgor força a membrana plasmática contra a parede celular, resultando no alargamento das células-guarda que eventualmente se curvam para fora, causando a abertura do poro estomático. À medida que os solutos saem das células-guarda, o volume da célula diminui, fazendo com que o poro se feche. Guarde a turgidez da célula e as mudanças de volume em resposta a várias condições ambientais, como CO atmosférico₂ concentração, luz e disponibilidade de água. As células-guarda são ótimos sistemas modelo para estudar o transporte de íons e para dissecar as ligações moleculares entre a fisiologia da planta e o meio ambiente.

Existem muitos estudos que investigam a interação entre os estômatos e o ambiente, mas a maioria deles se concentra em um sinal ambiental individual que também costuma ser invariável ao longo do dia, como intensidade de luz ou temperatura. Na natureza, as plantas enfrentam efeitos multifacetados e cumulativos das mudanças climáticas que muitas vezes combinam sinais ambientais conflitantes, como altas intensidades de luz e secas. Portanto, as plantas precisam coordenar a mecânica molecular dos estômatos para garantir seu crescimento e desempenho em um determinado cenário ambiental. Da mesma forma, as plantas precisam decodificar os sinais complicados decorrentes das condições ambientais que flutuam ao longo do dia, como quando as nuvens passam no céu ou quando sombreadas pelas plantas vizinhas. Nesse caso, o maquinário fotossintético se ajusta rapidamente às condições de luz, enquanto as respostas estomáticas geralmente ficam para trás, tornando a fotossíntese menos eficiente ou permitindo perda excessiva de água. A resposta mais lenta dos estômatos às flutuações de luz impacta no crescimento e na produtividade da planta.

A irrigação das culturas responde por cerca de 70% do uso de água doce no planeta, e seu uso se expandiu a taxas insustentáveis ​​nas últimas três décadas. Os cientistas têm tentado encontrar maneiras de fazer as plantas crescerem com menos água, maximizando a eficiência do uso da água – espremendo a quantidade máxima de carbono fixado por unidade de água usada. A redução do número de estômatos resulta em menor perda de água. No entanto, essas tentativas podem ocorrer às custas da redução de CO₂ e, portanto, reduz a eficiência do uso da água. Do ponto de vista agronômico, essa abordagem impacta negativamente os rendimentos de ganho, tornando-os insustentáveis. Além disso, esta abordagem será benéfica apenas em certos cenários ambientais de duração prolongada, por exemplo, períodos de seca persistente, que não são necessariamente uma imagem fiel do que se encontra no campo.

Para contornar esse acoplamento inerente de CO₂ absorção e perda de vapor de água, Papanatsiou et al. (2019) usou a optogenética para introduzir um K sintético ativado por luz azul⁺ canal iônico, denominado BLINK, nas células-guarda da pequena planta de mostarda Arabidopsis. Optogenética é uma técnica bem estabelecida usada nas neurociências para manipular a atividade do canal iônico e modular a transmissão do sinal nervoso usando um estímulo luminoso. Os autores levantaram a hipótese de que, usando a optogenética, eles poderiam modular o transporte de íons nas células-guarda dos estômatos para sincronizar melhor os movimentos dos estômatos em resposta às condições flutuantes de luz e, como consequência, melhorar o desempenho da planta (Figura 2).

Os autores mostraram que a expressão de BLINK nas células-guarda de Arabidopsis introduziu um K⁺ fluxo através da membrana das células-guarda sob tratamentos de luz azul. O K adicional⁺ o fluxo gerado pela presença de BLINK resultou em mudanças mais rápidas na abertura e fechamento estomático em resposta à luz. De fato, os estômatos que expressam a proteína BLINK levaram cerca de metade do tempo para atingir uma resposta de estado estacionário sob o novo regime de luz em comparação com as plantas de controle. Com efeito, o BLINK agia como um interruptor de luz que sincronizava os movimentos estomáticos com a luz incidente. Para explorar ainda mais o potencial da abordagem BLINK, os autores cultivaram plantas sob várias condições de luz e avaliaram o crescimento vegetal e a produção de biomassa. As plantas que expressam a proteína BLINK apresentaram melhor desempenho, especialmente em condições flutuantes que requerem ajustes rápidos nos movimentos estomáticos. De fato, as plantas que expressam BLINK tiveram rosetas significativamente maiores e mostraram uma duplicação no acúmulo de biomassa seca quando comparadas às plantas de controle. Mais importante ainda, os mesmos efeitos também foram aparentes quando as plantas cresceram sob condições de limitação de água.

O estudo de Papanatsiou et al. (2019) defende o uso da optogenética para manipular o transporte de íons em células vegetais. O transporte de íons é a força motriz para mudanças na pressão de turgescência que estão por trás de muitos processos vegetais, como movimentos estomáticos e morfogênese. Portanto, a aplicação de ferramentas optogenéticas semelhantes ao BLINK tem grande potencial para melhorar o desempenho das plantas. Mais importante ainda, a pesquisa destaca a influência do comportamento estomático na fisiologia da planta e seu impacto na produtividade da planta. A manipulação da cinética das respostas estomáticas tem sido discutida frequentemente como uma estratégia promissora para combinar o comportamento estomático com a eficiência do uso da água. Este estudo valida tais proposições e destaca a eficácia da estratégia BLINK para equilibrar o trade-off entre fotossíntese e transpiração e para melhorar o desempenho da planta sob condições de luz, típicas do crescimento ao ar livre. O desafio agora é saber se os resultados apresentados no estudo de Papanatsiou et al. podem ser traduzidos em colheitas. Os estômatos da maioria das principais culturas seguem as mesmas regras moleculares do organismo modelo da planta Arabidopsis. Os autores, portanto, argumentaram a favor do BLINK ou ferramentas optogenéticas semelhantes como uma estratégia eficaz para melhorar a produtividade das culturas sob condições de luz flutuantes, que são frequentemente encontradas em ambientes agrícolas.

Sobre Maria Papanatsiou

Meu interesse pela pesquisa biológica me levou à Universidade de Glasgow, onde concluí meus estudos de graduação em Genética. Continuei meus estudos de pós-graduação em biologia molecular, celular e de sistemas e obtive meu doutorado na Universidade de Glasgow em 2014. Meu trabalho de doutorado concentrou-se na interação entre comportamento estomático, fisiologia vegetal e meio ambiente. Em seguida, passei a integrar o grupo do Prof. Nagy na Universidade de Edimburgo, onde expandi minhas habilidades para a área de fotobiologia. Este trabalho investigou a base molecular da transdução de sinal via receptor de luz vermelha, o fitocromo B. Posteriormente, voltei a Glasgow para trabalhar com Professor Blatt e em colaboração com Professora Christie, onde usei ferramentas optogenéticas para modular o transporte de íons nos estômatos para otimizar a fisiologia vegetal, crescimento e uso de água. eu estou atualmente trabalhando como pesquisador de pós-doutorado com Prof.Amtmann visando decodificar respostas fisiológicas de plantas a cenários ambientais complexos, usando plantas de Arabidopsis e soja. Ao longo de minha carreira acadêmica, sempre fui apaixonado por comunicação científica e participei e organizei várias atividades de divulgação. Contribuí com comentários sobre os últimos desenvolvimentos na ciência das plantas e sou o editor de mídia social da revista científica Planta, célula e meio ambiente.