Gradientes ambientais revelam centros de estresse pré
Plantas da Natureza (2023)Cite este artigo
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A terrestrialização das plantas deu origem às plantas terrestres (embriófitas). Os embriófitos representam a maior parte da biomassa terrestre e evoluíram a partir de algas estreptófitas num evento singular. Avanços recentes desvendaram os primeiros genomas completos das algas parentes mais próximas das plantas terrestres; entre as primeiras espécies estava Mesotaenium endlicherianum. Aqui usamos sequenciamento de RNA penteado fino em conjunto com uma avaliação fotofisiológica no Mesotaenium exposto a uma faixa contínua de temperatura e sinais de luz. Nossos dados estabelecem uma grade de 42 condições diferentes, resultando em 128 transcriptomas e ~1,5 Tbp (~9,9 bilhões de leituras) de dados para estudar os efeitos combinatórios da resposta ao estresse usando agrupamento ao longo de gradientes. O Mesotaenium compartilha com as plantas terrestres centros importantes nas redes genéticas que sustentam a resposta ao estresse e a aclimatação. Nossos dados sugerem que a formação de gotículas lipídicas e os sinais derivados de plastídios e da parede celular têm denominado programas moleculares desde mais de 600 milhões de anos de evolução dos estreptófitos - antes das plantas darem seus primeiros passos na terra.
A terrestrialização das plantas mudou a face do nosso planeta. Deu origem às plantas terrestres (Embryophyta), os principais constituintes da biomassa da Terra1 e fundadores dos actuais níveis de oxigénio atmosférico2. As plantas terrestres pertencem ao Streptophyta, um grupo monofilético que inclui as algas parafiléticas de água doce e estreptófitas terrestres e as plantas terrestres monofiléticas. Esforços filogenômicos meticulosos estabeleceram as relações das plantas terrestres com seus parentes algas3,4,5,6. Esses dados trouxeram uma surpresa: as Zygnematophyceae filamentosas e unicelulares - e não outras algas morfologicamente mais elaboradas - são as algas parentes mais próximas das plantas terrestres. Agora, os primeiros genomas das principais ordens de Zygnematophyceae (ver ref. 7) estão disponíveis: Mesotaenium endlicherianum8, Spirogloea muscicola8, Zygnema circuncarinatum9, Closterium peracerosum-strigosum-littorale10 e Penium margaritaceum11. Usando estes, estamos começando a redefinir o chassi molecular compartilhado pelas plantas terrestres e seus parentes mais próximos das algas. Incluídos neste chassi compartilhado estarão aqueles genes que facilitaram a terrestrialização das plantas. Neste artigo, concentramo-nos num aspecto crítico: o conjunto de ferramentas moleculares para a resposta aos desafios ambientais. Para isso, utilizamos a alga unicelular de água doce/subaérea Mesotaenium endlicherianum.
As plantas terrestres usam um sistema multicamadas para responder adequadamente aos sinais ambientais. Isto envolve detecção, sinalização e resposta, principalmente pela produção de, por exemplo, compostos protetores. Alguns dos padrões mais versáteis na evolução do genoma das plantas terrestres dizem respeito aos genes para adaptação ambiental . Dito isto, existe um núcleo partilhado de factores-chave de regulação e resposta que estão no cerne da fisiologia vegetal. Estes incluem fitohormônios como o ácido abscísico (ABA) encontrado em plantas não vasculares e vasculares15,16, compostos protetores que repousam em rotas metabólicas especializadas, como compostos derivados de fenilpropanóides e proteínas como EMBRIOGÊNESE TARDIA ABUNDANTE (LEA)17,18. Muitos dos genes integrados nessas rotas metabólicas relevantes para o estresse possuem homólogos em algas estreptófitas . Tomando as angiospermas como referência, essas vias relevantes para o estresse são frequentemente irregulares. Atualmente não se sabe se estes também são usados nas condições relevantes. Por exemplo, embora as Zygnematophyceae tenham um homólogo do receptor ABA PYL8,20, este homólogo funciona de uma forma diferente e independente do ABA21. Assim, é importante colocar à prova o chassi genético que poderia atuar sob mudanças ambientais.
Aqui usamos uma grade fina de um gradiente bifatorial para dois principais estressores terrestres, variação na irradiância e temperatura, para sondar a rede genética que os parentes de algas mais próximos das plantas terrestres possuem para a capacidade de resposta a sinais abióticos. Correlacionando parâmetros ambientais, fisiologia e padrões de expressão gênica diferencial global de 128 transcriptomas (9.892.511.114 leituras, 1,5 Tbp de dados) em 126 amostras distintas cobrindo uma faixa de temperatura >20 °C e faixa de luz >500 µmol fótons m−2 s−1 , identificamos centros nos circuitos que foram compartilhados ao longo de mais de 600 milhões de anos de evolução dos estreptófitos.