A presença do alumínio (Al) em solos ácidos é o principal fator limitante da produtividade agrícola no Brasil e no mundo. A resposta desenvolvida pelas plantas à ação do Al é complexa. Sua compreensão pode ser facilitada pela identificação, por meio de técnicas de análise em larga escala, de genes responsivos após a exposição da planta aos íons do Al. A isso se propôs a bióloga Lucia Mattiello, em trabalho orientado pelo professor Marcelo Menossi, desenvolvido no Laboratório de Genoma Funcional do Departamento de Genética, Evolução e Bioagentes, do Instituto de Biologia (IB) da Unicamp.

A pesquisa mostra alterações que ocorrem nos genes da raiz e da folha do milho nos seus processos de desenvolvimento. Teve como objetivo ampliar o conhecimento sobre a fisiologia e a regulação gênica de raízes e folhas do milho cultivado em solo ácido, abrindo perspectivas, segundo a autora do trabalho, para entender pela primeira vez a base molecular das alterações das plantas em situações mais próximas à realidade do campo. Em geral, as pesquisas a respeito se utilizam de plantações hidropônicas, em vista da maior facilidade das investigações em laboratório.

Na pesquisa foram utilizados dois genótipos contrastantes de milho - uma espécie tolerante e outra sensível ao Al - cultivadas em solo ácido com concentração fitotóxica do íon. As duas linhas de milho foram cultivadas tanto em solo cuja acidez permite a mobilidade do íon do metal (pH= 4,1), como em solo corrigido com hidróxido de cálcio (pH=5,5), que leva à imobilização do íon na forma de hidróxido de alumínio, insolúvel em água e assim inofensivo para as plantas.

A pesquisadora constata que a maior inibição do crescimento radicular na espécie sensível esteve altamente correlacionada com a acumulação de Al nos ápices radiculares, ou seja, nas extremidades das raízes. Esclarece que o sintoma mais evidente da toxidez do Al é a inibição do crescimento radicular, sendo este o parâmetro mais utilizado para avaliar a injúria do metal. Tendo em vista que o sítio primário de ação fitotóxica do íon se localiza no ápice da raiz, o estudo do mecanismo de toxidez do Al bem como dos mecanismos de defesa da planta têm sido focados na interação do íon com componentes celulares do ápice radicular.

Os dados fisiológicos confirmaram a discriminação entre as duas linhagens em solo ácido em relação à ação do alumínio, abrindo perspectivas para entender pela primeira vez a base molecular das alterações das plantas em condições próximas à realidade de campo. Para ela, esse foi o grande diferencial, pois os estudos existentes se baseiam em sistemas hidropônicos.

O transcriptoma de raízes - que corresponde à identificação das modificações na expressão gênica concentradas na faixa do RNA mensageiro - possibilitou a identificação de possíveis candidatos à tolerância do Al. Entre os candidatos, explica Lucia, "identificamos genes responsivos pela presença de Al e não pela acidez, delimitando assim os genes com possíveis papéis na tolerância ao alumínio presente em solo ácido. Para ela, os resultados permitem concluir que o cultivo em solo é diferencial em relação à hidroponia, pois outros fatores apenas presentes no substrato solo podem provocar a indução de alguns genes.

Para a pesquisadora, os dados mostram que o transcriptoma de raízes e folhas de milho são alterados em resposta ao crescimento em solo contendo níveis altos de Al. Essas informações permitiram a identificação de diversos processos metabólicos afetados que podem estar envolvidos na inibição radicular, bem como na de alguns pontos que podem ser relevantes para explicar a tolerância ao metal. Financiado pela Fapesp, o trabalho rendeu publicação de artigo na BMC Plant Biology, periódico de grande impacto.

Explicações

Lucia diz que procurou por um solo que fosse naturalmente ácido e com concentração suficientemente alta de Al para causar danos à planta. Estas condições estão intimamente relacionadas porque, para que o Al seja fitotóxico, o pH do solo deve estar abaixo de cinco. Para tanto utilizou amostras de solos fornecidas pelo Instituto Agronômico de Campinas (IAC), com pH 4,2 e com cerca de 90 ppm de Al. No laboratório os dois genótipos contrastantes do milho foram submetidos ao solo ácido retirado da Fazenda Santa Elisa do IAC, em Campinas, e que fora fertilizado para a cultura do milho de acordo a indicações do próprio Instituto.

Como controle foi utilizado o mesmo solo, mas com pH corrigido pela adição de hidróxido de cálcio, no qual não é mais possível detectar o Al livre. Para facilitar a retirada das extremidades das raízes para exame, pois são os primeiros cinco mm da raiz que são afetados pelo metal, o milho foi plantado em sacos de muda pretos.

Ela explica que a partir do momento em que um gene está sendo expresso, as informações do DNA são transmitidas para o RNA mensageiro e é a partir deste que as proteínas são sintetizadas. A identificação das modificações na expressão gênica concentradas na faixa do RNA mensageiro chama-se transcriptoma. Para tanto, ela utilizou um chip de óligonicleotídeos, também chamado de microarrays, que permite avaliar a expressão de cerca de 16 mil genes do milho.

Em relação à expressão, Lucia esclarece: "À medida que um gene está sendo expresso, um RNA mensageiro vai se acumulando na célula, o que pode determinar também a síntese de sua proteína. Então a acumulação de RNA mensageiro pode ser indicativa da formação da proteína. Quanto maior a acumulação de RNA mensageiro, maior a expressão do gene, enquanto a menor acumulação do RNA indica a inibição do gene".

Na verdade, ela queria saber o que ocorria com o transcriptoma quando um ápice radicular era extraído de uma planta cultivada em solo ácido em comparação com o solo corrigido. Então extraiu o RNA mensageiro dos cinco primeiros milímetros do ápice radicular e aplicou em cada caso o experimento de microarrays para as duas variedades de milho desenvolvidas nas duas amostras de solo.

Isto permitiu comparar o comportamento dessas variedades no solo ácido e com isso identificar, em cada caso, genes que estavam sendo ativados ou inibidos em razão da exposição ao solo ácido. Com esse estudo, ela pode determinar os genes favoráveis ou desfavoráveis ao desenvolvimento da planta. Acabou identificando também vários genes que não haviam sido identificados em experimentos similares usando plantas em hidroponia.

Para ela, o projeto permite identificar genes candidatos, assim chamados os possíveis contributos para a tolerância ao Al, o que permite a concentração do estudo nesses candidatos específicos. Resulta daí que, a partir da identificação desses genes, podem ser produzidas plantas transgênicas e plantas modelo com tolerância ao metal, abrindo um amplo espectro no campo da biotecnologia. A propósito, ela lembra que o Al é um dos fatores mais limitantes para plantações no Cerrado, por exemplo, cujo solo é altamente fitotóxico por causa da presença do metal, problema que pode vir a ser contornado pela biotecnologia.

A pesquisadora esclarece ainda que, como o solo nunca tinha sido diretamente testado para avaliação da tolerância ao Al, fizeram inicialmente vários experimentos de fisiologia. Avaliaram o crescimento radicular da planta, pois quanto mais inibido, maior o estresse a que está sendo submetida pelo Al. Re-alizaram também avaliação da calose, um polímero natural produzido pelo vegetal, pois quanto maior sua quantidade maior a inibição radicular. O estudo se iniciou pela fisiologia, pois havia necessidade de determinar com certeza se a presença de Al em solo ácido levava efetivamente ao estresse da planta. Ou seja, a pesquisa se orientou primeiro em testar o solo como método de avaliação de tolerância ao Al, que constituiu a parte fisiológica e depois como objetivo mais amplo se propôs a avaliar o transcriptoma das raízes e das folhas.

A bióloga conclui que a metodologia desenvolvida se revelou bem-sucedida para discriminar os dois genótipos do milho e para avaliar a planta, alem de levar à descoberta de genes que não haviam sido identificados nos experimentos de hidroponia.

As folhas das plantas também foram avaliadas, o que levou à constatação que há uma variação bastante grande entre os transcriptomas das folhas -principalmente na variante tolerante - e que nelas existem vários genes candidatos à tolerância. Isso, diz ela, nunca tinha sido verificado porque não havia sido avaliado ainda o perfil transcripcional das folhas em relação à tolerância ao Al. Ela explica que o conhecimento do que acontece na folha é importante porque é nela que ocorre a fotossíntese e, portanto, por ela passam todas as vias metabólicas importantes para a nutrição da planta.

Lucia Mattiello avalia que o trabalho levou a enormes resultados, que permitem descortinar excelentes perspectivas para os pesquisadores que pretendam seguir pelas várias vertentes que se abrem a partir dele.

Artigo
MATTIELLO, L.; Kirst, M.; da Silva, F.R.; Jorge, R.A.; Menossi, M. (2010) Transcriptional profile of maize roots under acid soil growth. BMC Plant Biology 10:196 doi:10.1186/1471-2229-10-196

Publicação
Tese: "Fisiologia e transcriptoma de milho cultivado em solo ácido!
Autora: Lucia Mattiello
Orientador: Marcelo Menossi
Coorientador: Renato Atílio Jorge
Unidade: Instituto de Biologia (IB)
Financiamento: Fapesp