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Um novo estudo revelou que a evolução das lamelas de suberina nas plantas com sementes desempenhou um papel crucial no seu domínio sobre os fetos nas mudanças climáticas da Terra. Esta descoberta oferece novos insights sobre a evolução das plantas e tem implicações significativas para aumentar a resistência à seca nas culturas.
Um estudo recente publicado em Plantas da Natureza pela equipe de Chao Daiyin no Centro de Excelência em Ciências Moleculares de Plantas da Academia Chinesa de Ciências, juntamente com a equipe de Lyu Shiyou na Universidade de Hubei, revelou, pela primeira vez, o mistério por trás do surgimento de plantas com sementes a partir da perspectiva de especialistas evolução da parede celular.
As plantas com sementes são o grupo de plantas mais avançado do mundo, representando dois terços de todas as plantas. espécies e moldando a flora predominante do nosso mundo. No entanto, a Terra era muito diferente há mais de 300 milhões de anos, durante o período Carbonífero, quando os fetos eram a flora dominante, com os imponentes fetos arbóreos dominando a paisagem ecológica. A maioria dos recursos de carvão na Terra hoje veio de plantas de samambaias daquele período, daí o nome “Carbonífero”.
No entanto, a investigação paleontológica revela um ponto de viragem no final do período Carbonífero, com o clima da Terra a tornar-se subitamente frio e árido. Como resultado, as samambaias começaram a diminuir, abrindo caminho para o surgimento de plantas com sementes. No entanto, este evento evolutivo significativo é marcado por muitos mistérios não resolvidos, sendo um dos mistérios mais importantes: Que vantagens específicas evoluíram as plantas com sementes que lhes permitiram fazer a transição de uma posição mais fraca para uma posição próspera no final do período Carbonífero?
Principais descobertas sobre estruturas de raízes de plantas
As raízes são órgãos essenciais para absorver e transportar água e nutrientes minerais nas plantas, e a endoderme é o núcleo da raiz, controlando o transporte de água e minerais. A parede celular da endoderme apresenta uma tira de Caspary hidrofóbica, à base de lignina, firmemente ancorada à membrana celular endodérmica, formando assim uma barreira para impedir a livre difusão de substâncias. Além disso, as lamelas de suberina são estruturas especializadas da parede celular que envolvem toda a superfície das células endodérmicas.
A investigação indica que tanto a faixa de Caspary como as lamelas de suberina desempenham papéis essenciais no equilíbrio de nutrientes das plantas e no transporte de água, mas as suas funções são significativamente diferentes. O grupo de Chao já havia feito avanços na compreensão da formação e ancoragem da Faixa do Cáspar. No entanto, a base evolutiva das lamelas de suberina e o seu papel na evolução das plantas ainda não foram resolvidas.
Insights evolutivos sobre a Faixa de Caspary e Lamelas Suberin
Este estudo utilizou uma série de técnicas avançadas de biologia celular e química analítica para conduzir pesquisas aprofundadas em espécies de plantas representativas de 18 nós evolutivos diferentes, com o objetivo de desvendar os segredos da origem da faixa de Caspary e das lamelas de suberina.
Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que a faixa de Caspary existe em todas as plantas vasculares, incluindo samambaias, licófitas, gimnospermas e angiospermas, enquanto as lamelas de suberina estão presentes apenas em gimnospermas e angiospermas (ambas coletivamente chamadas de plantas com sementes). Esta evidência sugere que a faixa de Caspary e as lamelas de suberina não se originaram simultaneamente; o primeiro emergiu do ancestral comum de todas as plantas vasculares, enquanto o último evoluiu no ancestral comum das plantas com sementes. Esta descoberta desafia a suposição de longa data sobre as lamelas de suberina e oferece novas perspectivas para estudar a evolução destas estruturas.
Expansão genética e lamelas de suberina em plantas com sementes
Para investigar como as lamelas de suberina evoluíram no ancestral comum das plantas com sementes, os pesquisadores realizaram análises evolutivas moleculares dos genes envolvidos na formação das lamelas de suberina e seus homólogos, com estes resultados: Embora a maioria desses genes tenha evoluído antes do aparecimento das plantas vasculares, expansão significativa ocorreu no ancestral comum das plantas com sementes. Esta expansão sugeriu que a duplicação genética provavelmente levou a inovações funcionais, permitindo assim que os genes responsáveis pela síntese das lamelas de suberina surgissem no ancestral comum das plantas com sementes.
Para confirmar esta hipótese, os pesquisadores investigaram genes homólogos dos principais fatores de transcrição MYB envolvidos na formação de suberina em samambaias, licófitas, gimnospermas e angiospermas. Descobriu-se que esses genes estão difundidos em todos esses grupos de plantas. No entanto, uma expansão significativa de genes homólogos ocorreu no ancestral comum das gimnospermas e angiospermas. Os pesquisadores revelaram que os genes homólogos expandidos em gimnospermas e angiospermas poderiam iniciar a formação de lamelas de suberina, enquanto os genes homólogos em plantas de samambaias e licófitas não tinham tal função. Esta descoberta confirmou que a função dos fatores de transcrição MYB que iniciam a síntese de suberina foi adquirida em plantas com sementes através da expansão genética.
O papel das lamelas de suberina na adaptação das plantas
À medida que o clima da Terra se tornou seco no final do período Carbonífero, as samambaias começaram a diminuir e as plantas com sementes aumentaram. Uma vez que a suberina tem propriedades impermeáveis, os investigadores levantaram a hipótese de que o surgimento de lamelas de suberina pode ter contribuído para a adaptabilidade das plantas com sementes à seca, promovendo assim o seu crescimento após o início de condições áridas. Mais tarde, confirmaram esta hipótese utilizando dois materiais genéticos de Arabidopsis com defeitos de suberina, demonstrando assim que Arabidopsis deficiente em suberina era mais sensível à seca.
Além disso, a espectroscopia Raman e a ressonância magnética nuclear revelaram o significado crucial das lamelas de suberina no aumento da eficiência do transporte vascular de água. Especificamente, uma vez que as moléculas de água são capazes de difusão livre através das membranas celulares na ausência de lamelas de suberina, as plantas sem lamelas de suberina, como samambaias e cavalinhas, experimentam vazamento significativo de água das membranas celulares endodérmicas quando submetidas a estresse osmótico, resultando em baixa eficiência de transporte. .
As plantas com sementes, com lamelas de suberina envolvendo totalmente suas células endodérmicas, bloqueiam quase completamente a difusão livre das moléculas de água. Assim, a taxa de vazamento de água sob estresse osmótico é de apenas 1% a 2% em comparação com plantas de samambaia e licófitas. Este efeito de impermeabilização aumenta grandemente a eficiência do transporte de água nos tecidos vasculares das plantas com sementes sob condições de seca, aumentando assim a sua resistência à seca.
Com base nisso, os pesquisadores propuseram um modelo para o surgimento de plantas com sementes: no clima úmido do período Carbonífero, as samambaias sem lamelas de suberina tinham maior eficiência de absorção de água e nutrientes e estavam melhor adaptadas ao ambiente, fazendo com que florescer. No entanto, durante o final do período Carbonífero, o início de um clima seco proporcionou uma vantagem para as plantas com sementes que desenvolveram lamelas de suberina. Eles possuíam um sistema de transporte de água mais eficiente e maior tolerância à seca, permitindo-lhes substituir gradualmente as samambaias e se tornarem as formas de vida dominantes na superfície da Terra.
Este estudo não só desvenda o mistério da origem da faixa de Caspary e das lamelas de suberina, mas também fornece evidências, pela primeira vez, de que o surgimento de lamelas de suberina impulsionou o surgimento de plantas com sementes, com base em uma nova perspectiva. Além disso, identifica o importante papel das lamelas de suberina na adaptação das plantas a condições adversas como a seca. Como resultado, este estudo tem implicações significativas para aumentar a resistência das plantas à seca, elucidar os mecanismos de tolerância ao sal e à seca das plantas e desenvolver variedades de culturas resistentes à seca.
Referência: “A inovação evolutiva das lamelas de suberina radicular contribuiu para o surgimento de plantas com sementes” por Yu Su, Tao Feng, Chu-Bin Liu, Haodong Huang, Ya-Ling Wang, Xiaojuan Fu, Mei-Ling Han, Xuanhao Zhang, Xing Huang, Jia-Chen Wu, Tao Song, Hui Shen, Xianpeng Yang, Lin Xu, Shiyou Lü e Dai-Yin Chao, 6 de novembro de 2023, Plantas da Natureza.
DOI: 10.1038/s41477-023-01555-1