Elton Alisson, Agência FAPESP 19/01/2015

Pesquisadores do Instituto de Biologia da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), em colaboração com colegas da University of Edinburgh, na Escócia, identificaram um novo mecanismo pelo qual as plantas controlam a absorção e assimilação de nitrogênio.

A descoberta, realizada no âmbito de um trabalho de doutorado feito com Bolsa da FAPESP, abre perspectivas para o desenvolvimento de cultivares menos dependentes de fertilizantes à base de nitrogênio, largamente utilizados na agricultura para impulsionar o crescimento e a produção vegetal.

Os principais resultados do estudo foram descritos em um artigo publicado na revista Nature Communications. “Identificamos uma nova via de regulação da assimilação de nitrogênio em plantas. Ao alterar essa via foi possível fazer com que as plantas assimilassem mais nitrogênio e, consequentemente, crescessem mais. Dessa forma, esperamos contribuir para a redução do uso excessivo de fertilizantes que frequentemente impactam o ambiente e que representam altos custos na produção agrícola”, disse Lucas Frungillo, primeiro autor do artigo.

Estudos foram feitos com a Arabidopsis thaliana, pequena planta herbácea, nativa da Europa, Ásia e África, da mesma família da mostarda

De acordo com Frungillo, as plantas absorvem nitrogênio do solo na forma de nitrato. Uma vez absorvido pelas raízes o nitrato é transportado, principalmente, para a parte aérea do vegetal para ser posteriormente assimilado na forma de aminoácidos e proteínas.

Ao longo do processo assimilatório, o nitrato é convertido em nitrito nas folhas das plantas por meio de uma reação catalisada por uma enzima chamada nitrato redutase.

O nitrito é majoritariamente transportado para o cloroplasto – organela presente nas células vegetais, também responsável pela fotossíntese –, onde segue na via de assimilação de nitrogênio até a formação de aminoácidos. O nitrito também pode ser transformado em óxido nítrico por outras reações enzimáticas e não enzimáticas no interior das células vegetais.

Por muito tempo, segundo Frungillo, a reação de formação de óxido nítrico ao longo da via de assimilação do nitrato foi considerada um subproduto do processo de assimilação de nitrogênio pelas plantas.

Ao estudar esse processo em diferentes cultivares de Arabidopsis thaliana – uma pequena planta herbácea, nativa da Europa, Ásia e África, da família das Brassicaceae, a que também pertence a mostarda –, Frungillo e colegas descobriram que, além de outras ações nas plantas, o óxido nítrico também atua como uma molécula de sinalização, indicando quando as plantas devem limitar a absorção e assimilação de nitrato.

“O óxido nítrico desempenha um papel de sinalizador, indicando para a planta se ela tem ou não nitrogênio suficiente para se desenvolver. Ele faz isso através da regulação da assimilação do nitrato pelo vegetal”, explicou.

Estratégia de sinalização
De acordo com Frungillo, a estratégia utilizada pelo óxido nítrico para aumentar sua concentração e exercer o papel de sinalizador no processo de assimilação de nitrogênio pelas plantas é regular a enzima capaz de degradar uma de suas formas bioativas: a S-nitrosoglutationa Redutase 1 (GSNOR1).

Diferentemente do que se observa em outros modelos biológicos, em que o aumento da disponibilidade de uma molécula induz o aumento na atividade de uma enzima capaz de degradá-la, no caso do óxido nítrico o movimento é contrário.O aumento da disponibilidade de óxido nítrico na planta leva a uma redução da atividade da GSNOR1.

“O óxido nítrico é capaz de inibir diretamente a atividade da enzima GSNOR1 por meio de uma modificação pós-traducional [processos que podem alterar o tamanho, composição, função e localização de proteínas] chamada de S-nitrosilação. Dessa forma, ele regula sua própria disponibilidade na planta e controla sua ação sinalizadora, indicando quando a planta deve reduzir a assimilação de nitrato”, explicou.

Por meio de engenharia genética é possível aumentar o número de cópias dessa enzima que contrapõe a sinalização do óxido nítrico, reduzindo o impacto inibitório desse sinalizador em sua degradação. “É possível mitigar geneticamente esse efeito de ‘autopromoção’ do óxido nítrico”, indicou Frungillo.

A fim de testar essa hipótese, os pesquisadores da University of Edinburgh desenvolveram durante o estudo uma variedade de Arabidopsis thaliana, chamada de 35S::GSNOR1, que superexpressa a GSNOR1.

Os resultados das análises genéticas e bioquímicas, realizadas no laboratório coordenado pelo professor Gary J. Loake e repetidos no Brasil, indicaram que a planta conseguiu assimilar maior quantidade de nitrogênio e, consequentemente, crescer mais em comparação com outras variedades com expressão normal da GSNOR1.

“A planta 35S::GSNOR1 tem maior número de cópias da enzima GSNOR1 e, por mais que ela ainda seja regulada pelo óxido nítrico, sua atividade é maior nesse genótipo do que nos outros que estudamos. Por isso, o processo de sinalização do óxido nítrico na planta é reduzido e ela consegue assimilar mais nitrogênio e crescer um pouco mais”, explicou Frungillo, que permaneceu cinco meses no laboratório do professor Loake para realizar experimentos complementares e finalizar o estudo.

De acordo com ele, também por meio de engenharia genética pode ser possível desenvolver novas variedades de plantas com os processos de sinalização do óxido nítrico alterados e impulsionar ainda mais o crescimento dos vegetais.

“Ao degradar uma forma bioativa do óxido nítrico, a planta diminui a disponibilidade desse sinalizador, passando então a assimilar mais nitrogênio. Consequentemente, ela se torna capaz de crescer e produzir mais”, apontou.

“Esperamos que essa via de regulação da assimilação de nitrogênio observada em Arabidopsis thaliana também exista na maioria das plantas”, disse Frungillo.

O artigo S-nitrosothiols regulate nitric oxide production and storage in plants through the nitrogen assimilation pathway (doi: 10.1038/ncomms640), de Frungillo e outros, pode ser lido por assinantes da revista Nature Communications.