Os cientistas deram um passo significativo para a construção da primeira planta digital do mundo, desenvolvendo um modelo computacional sofisticado que também resolveu um dos mistérios mais duradouros da ciência das plantas - o papel do relógio biológico.

Qualquer pessoa que tenha sofrido de jet lag pode se identificar com os efeitos devastadores de um relógio biológico interrompido. Agora, um novo estudo revelou que as plantas também sofrem quando seus relógios estão fora de sincronia.

Ao criar uma planta permanentemente afetada por jet lag — o equivalente a voar de Nova York para o Reino Unido todos os dias — pesquisadores descobriram que a interrupção do relógio biológico de uma planta impacta seu crescimento. A equipe também criou um modelo computacional da planta "com jet lag" que foi capaz de prever com precisão o efeito no crescimento — e revelar quais vias moleculares são afetadas por genes do relógio defeituosos.

Um diagrama complexo que é descrito na legenda.
Operação do Arabidopsis Framework Model versão 2 (FMv2). Os componentes do modelo que são atualizados no FMv2 são delimitados por retângulos duplos, com nomes de modelo abreviados (à esquerda). As principais saídas dos novos modelos são mostradas como setas saindo dos retângulos delimitadores. O modelo de relógio P2011 mostra apenas genes de relógio para maior clareza. Genes da manhã ou do dia, símbolos amarelos; genes noturnos e o complexo noturno (EC), símbolos em cinza. Os genes PRR9 e PRR7 que estão inativados no mutante duplo prr7prr9 são marcados com uma oval tracejada. Os componentes de P2011 conduzem o modelo de degradação de amido S2014 por meio do componente 'T' (centro) e o modelo de coincidência externa S2015 (canto inferior esquerdo). O S2015 controla o alongamento do hipocótilo dependente do fotoperíodo (Hypoc.) ao ativar ritmicamente a via PhyB/PIF/ATHB2 e o florígeno FT pela via CDF1/FKF1/CO. O cartoon S2015 distingue componentes de RNA (paralelogramos) de proteínas (retângulos arredondados). As entradas de luz são mostradas como flashes. Entre os componentes do modelo retidos do FMv1, o modelo dinâmico de carbono (delimitado em verde) inclui estoques de carbono atualizados de amido e malato e fumarato (Mal + Fum) e fornece Açúcar como o Suprimento de Carbono para o crescimento. Isso é alocado de acordo com a Demanda de sumidouros de folhas (azul) e raízes (vermelho) no modelo funcional-estrutural da planta, que usa a Biomassa foliar para calcular a área projetada da roseta para fotossíntese (área do Projeto). Quando o modelo fototérmico (canto inferior direito) atinge o limiar de floração, a simulação termina. Crédito: in silico Plants (2022). DOI: 10.1093/insilicoplants/diac010

O avanço representa um passo significativo na criação de um organismo digital multicelular complexo – um feito que raramente foi alcançado fora dos micróbios unicelulares.

Essa abordagem, que vem sendo discutida há mais de uma década, deverá em breve se estender a outras vias reguladas pelo relógio biológico e levar a novas descobertas sobre a biologia vegetal em geral, o que poderá ajudar a melhorar a produtividade das culturas e a resiliência para melhor lidar com as mudanças climáticas.

Todas as plantas possuem um relógio biológico, um sistema molecular de controle do tempo que detecta mudanças no ambiente e prepara a planta para as transformações do amanhecer ao anoitecer e das estações do ano. Embora cada célula vegetal pareça ter seu próprio relógio, que controla cerca de 30% de seus genes, pouco se sabia sobre seu papel no crescimento das plantas.

Para resolver isso, um estudo, realizado por pesquisadores da Universidade de Edimburgo, investigou os efeitos de mutações nos genes do relógio da Arabidopsis thaliana, uma espécie vegetal amplamente estudada. As plantas mutantes do relógio permitiram que a equipe investigasse se os genes do relógio estavam envolvidos na liberação noturna da planta de açúcar armazenado no amido, que alimenta seu crescimento.

As plantas precisam gerenciar cuidadosamente a energia que capturam por meio da fotossíntese durante o dia. A liberação de açúcar dos estoques de amido muito rapidamente ou lentamente durante a noite pode interromper seu crescimento. Os cientistas estudaram o crescimento de plantas Arabidopsis com mutações em seus genes do relógio que faziam com que o relógio funcionasse muito devagar – como se o dia tivesse 29 horas em vez de 24 horas.

Nesses mutantes, a liberação noturna de açúcares do amido foi mais lenta do que nas plantas normais e o crescimento foi reduzido.

Eles também criaram um modelo computacional desses mutantes do relógio, conhecido como Modelo de Estrutura, que combinava modelos matemáticos da atividade do gene do relógio com modelos metabólicos e fisiológicos. Os resultados revelaram que o Modelo de Estrutura simulou com precisão os efeitos no crescimento das plantas - prevendo corretamente que a liberação lenta de açúcares do amido durante a noite nos mutantes do relógio era responsável por retardar seu crescimento

Os resultados contrastam com estudos anteriores de outros mutantes do relógio biológico, que indicaram que a disrupção dos relógios biológicos interrompe o crescimento das plantas ao afetar processos-chave na fotossíntese. Além de revelar o papel do relógio de 24 horas da planta, o modelo estrutural conseguiu conectar os genes, por meio de vias moleculares mensuráveis, ao seu impacto em toda a planta — um desafio clássico em genética.

Essa conquista equivale a entender uma síndrome de saúde humana causada por uma alteração genética que influencia sutilmente várias vias fisiológicas.

O próximo passo da equipe é usar o modelo de estrutura da Arabidopsis para prever como a sequência do genoma da planta controla essas características e traços físicos, conhecidos como seu fenótipo. Se for bem-sucedida, a abordagem poderá ser aplicada de forma mais ampla e levar ao tão procurado entendimento “grande unificado” da biologia – revelando a interação entre os genomas e os sistemas vivos que eles criam.

Usando essa abordagem, que visa prever como os sistemas vivos funcionam, modelos semelhantes podem ser desenvolvidos para ajudar a entender os vastos conjuntos de dados gerados pelos avanços no sequenciamento do genoma. Esse tipo de avanço também poderia desvendar a complexidade dos resultados moleculares para decifrar quais são os mais importantes e têm maior impacto na saúde e na doença dos organismos vivos.

O professor Andrew Millar, da Escola de Ciências Biológicas da Universidade de Edimburgo, diz que “o sucesso do modelo Framework mostra que podemos entender os efeitos sutis no nível da planta inteira, neste caso apenas alterando o tempo de expressão do gene. Por 'compreender' queremos dizer 'explicar e prever'. Nem todos os detalhes deste modelo serão transferidos para as espécies cultivadas, mas ele estende as 'provas de princípio' para informar a melhoria das culturas no nível molecular.”

LEIA O ARTIGO
Chew, YH, Seaton, DD, Mengin, V., Flis, A., Mugford, ST, George, GM, Moulin, M., Hume, A., Zeeman, SC, Fitzpatrick, TB, Smith, AM, Stitt, M. e Millar, AJ (2022) “O Arabidopsis O Framework Model versão 2 prevê os efeitos no nível do organismo da má regulação do gene do relógio circadiano,” in silico Plants, 4(2). Disponível em: https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac010.

Postagem original em a Universidade de Edimburgo.