Em um passeio ensolarado de primavera por um parque, é fácil ignorar as partes das plantas que estão escondidas. Os biólogos vegetais veem as coisas de maneira diferente. Eles olham abaixo da superfície onde as raízes das plantas são organizadas em sistemas elaborados que são críticos para o desenvolvimento do organismo. Sistemas radiculares de árvores intrincadamente organizados, por exemplo, podem se estender tanto no subsolo quanto a árvore cresce acima do solo.
Aplicando uma tecnologia de imagem avançada às raízes das plantas, os pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego e da Universidade de Stanford desenvolveram uma nova compreensão dos produtos químicos essenciais das raízes que são responsáveis pelo crescimento das plantas. Usando um tipo de espectrômetro de massa, um estudo liderado pelo bolsista de pós-doutorado em Ciências Biológicas da UC San Diego Tao Zhang e pela professora assistente Alexandra Dickinson produziu um “roteiro” que traça o perfil de onde pequenas moléculas-chave são distribuídas ao longo das células-tronco das raízes das plantas de milho (milho) e como seus fatores de colocação na maturação da planta. As descobertas foram publicadas na revista Natureza Comunicações.
“Este roteiro químico fornece um recurso que os cientistas podem usar para encontrar novas formas de regular o crescimento das plantas”, disse Dickinson, membro do corpo docente do Departamento de Biologia Celular e do Desenvolvimento. “Ter mais informações sobre como as raízes crescem pode ser útil na conservação, pois pensamos em proteger nossas plantas em ambientes naturais e torná-las mais sustentáveis, especialmente na agricultura”.
Enquanto trabalhava como cientista visitante na Universidade de Stanford, Dickinson começou a colaborar com a co-primeira autora do estudo, Sarah Noll, e o professor Richard Zare, que desenvolveu um sistema de imagem de espectrometria de massa que ajuda os cirurgiões a distinguir entre tecido canceroso e benigno durante as operações de remoção de tumores.
Dickinson, Zare e Noll adaptaram a tecnologia – chamada “imagens de espectrometria de massa de ionização por eletrospray de dessorção” ou DESI-MSI – para sondar as raízes das plantas em busca dos produtos químicos envolvidos no crescimento e na produção de energia. Inicialmente, eles se concentraram nas plantas de milho nas pontas das raízes, onde as células-tronco desempenham um papel ativo no desenvolvimento da planta. O método deles envolvia cortar o centro da raiz para obter uma imagem clara dos produtos químicos internos.
“Para ajudar a entender as raízes das plantas do lado da biologia, precisávamos descobrir quais produtos químicos estão lá”, disse Zare. “Nosso sistema de imagem pulveriza gotículas que atingem diferentes porções da raiz e dissolvem produtos químicos naquele local. Um espectrômetro de massa coleta o respingo da gota e nos diz quais são esses produtos químicos dissolvidos. Ao escanear sistematicamente o ponto alvo da gota, fazemos um mapa espacial de os produtos químicos da raiz.”
As imagens resultantes, que se acredita serem algumas das primeiras a revelar a transição entre as células-tronco e o tecido radicular maduro, mostram o papel fundamental dos metabólitos – moléculas envolvidas na produção de energia da planta. Os metabólitos do ciclo do ácido tricarboxílico (TCA) tornaram-se o foco da pesquisa, uma vez que foram considerados um elemento chave no controle do desenvolvimento radicular.
Entrando no estudo, os pesquisadores esperavam uma distribuição relativamente uniforme de produtos químicos. Em vez disso, com seu roteiro químico em mãos, eles descobriram que os metabólitos do TCA estão agrupados em manchas na raiz.
“Fiquei surpreso com a quantidade de produtos químicos apresentados em padrões realmente distintos”, disse Dickinson. “Podemos ver que a planta está fazendo isso de propósito – ela precisa dessas moléculas em regiões específicas para crescer adequadamente”. O laboratório de Dickinson mostrou que esses metabólitos do TCA têm efeitos previsíveis no desenvolvimento, não apenas no milho, mas também em outras espécies de plantas (Arabidopsis). Isso provavelmente ocorre porque os metabólitos do TCA são altamente conservados – eles são produzidos em todas as plantas e animais.
Também emergindo das novas imagens estavam compostos químicos não identificados anteriormente. Dickinson diz que os compostos misteriosos podem ser críticos para o crescimento das plantas, uma vez que também estão agrupados em padrões em locais específicos, sugerindo um papel proeminente no desenvolvimento. Dickinson e seus colegas estão agora investigando esses compostos e comparando variedades de milho que têm diferentes níveis de resistência ao estresse para ameaças adversas, como condições climáticas severas e secas. As novas informações os ajudarão a desenvolver novas estratégias químicas e genéticas para melhorar o crescimento das plantas e a resiliência ao estresse.
“Estamos olhando para diferentes plantas de milho que têm resistência à seca para ver se já encontramos produtos químicos específicos para essa variedade que não vimos em outras variedades”, disse Dickinson. “Achamos que pode ser uma maneira de encontrar novos compostos que possam promover o crescimento, especialmente em condições adversas”.
A lista completa de autores do estudo inclui: Tao Zhang, Sarah Noll, Jesus Peng, Amman Klair, Abigail Tripka, Nathan Stutzman, Casey Cheng, Richard Zare e Alexandra Dickinson.