Cientistas identificam "interruptor" genético que desativa fixação de nitrogênio em leguminosas

Uma equipe internacional de cientistas identificou pela primeira vez um "interruptor" genético que desativa o processo pelo qual as plantas leguminosas convertem o nitrogênio atmosférico em nutrientes. Esta descoberta pode revolucionar a agricultura, aumentando a produtividade das culturas e reduzindo a necessidade de fertilizantes sintéticos.

Leguminosas como feijões, ervilhas e lentilhas têm a capacidade única entre as culturas de interagir com bactérias do solo para converter ou "fixar" o nitrogênio em uma forma utilizável de nutrientes. No entanto, este processo biológico, que consome muita energia, é reduzido quando o nitrogênio já está abundante no solo, seja por processos naturais ou pela aplicação de fertilizantes sintéticos.

O regulador genético, identificado como Fixação Sob Nitrato (“Fixation Under Nitrate" - FUN), desativa a fixação de nitrogênio quando os níveis de nitrato no solo são altos. Com a remoção deste gene em leguminosas modelo, os cientistas conseguiram garantir que as plantas continuassem a fixar nitrogênio independentemente do ambiente do solo.

Aumentar a capacidade biológica das leguminosas de fixar nitrogênio pode ajudar a aumentar o crescimento e o rendimento das culturas, além de reduzir a necessidade de fertilizantes sintéticos, que contribuem significativamente para a pegada ambiental da agricultura.

"Do ponto de vista agrícola, a fixação contínua de nitrogênio pode ser uma característica benéfica que aumenta a disponibilidade de nitrogênio, tanto para a leguminosa quanto para futuras culturas que dependem do nitrogênio deixado no solo após o cultivo das leguminosas", disse o autor principal, Dugald Reid, professor e líder do grupo de pesquisa no La Trobe Institute for Sustainable Agriculture and Food (LISAF) e no Departamento de Ciência Animal, Vegetal e do Solo, além de pesquisador da ENSA.

"Isso ajuda a estabelecer as bases para futuras pesquisas que oferecem novas maneiras de gerenciar nossos sistemas agrícolas para reduzir o uso de fertilizantes nitrogenados, aumentar a renda das fazendas e reduzir o impacto ambiental do uso de fertilizantes nitrogenados."

A equipe descobriu o regulador conhecido como FUN após examinar 150 mil plantas de leguminosas individuais, nas quais genes haviam sido nocauteados, para identificar como as plantas controlam a mudança da fixação de nitrogênio para a absorção de nitrogênio do solo. O FUN, que é um tipo de gene conhecido como fator de transcrição e controla os níveis de outros genes, foi encontrado presente nas leguminosas, independentemente de estar ativo ou inativo e independentemente dos níveis de nitrogênio.

A equipe usou uma combinação de bioquímica, estudos de expressão gênica e microscopia para descobrir que o FUN se forma em longos filamentos de proteína quando está inativo. Isso levou à descoberta secundária de que os níveis de zinco desempenham um papel em ativar o FUN para desligar a fixação de nitrogênio.

"Descobrimos que a alteração do nitrogênio no solo modifica os níveis de zinco na planta. O zinco não havia sido previamente relacionado à regulação da fixação de nitrogênio, mas nosso estudo encontrou que uma mudança nos níveis de zinco, por sua vez, ativa o FUN, que então controla um grande número de genes que desativam a fixação de nitrogênio", disse o Kasper Andersen, coautor e pesquisador da ENSA.

"Remover o FUN cria, portanto, uma condição na qual a fixação de nitrogênio não é mais desativada pela planta”, acrescentou Andersen.

O estudo foi liderado por cientistas da La Trobe University, Austrália, e da Aarhus University, Dinamarca, e envolveu colaborações com o European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), o Centro de Biotecnologia e Genômica de Plantas, Espanha, e a Universidad Politécnica de Madrid (UPM).

Os pesquisadores agora estão investigando como culturas comuns de leguminosas, como soja e feijão-caupi, comportam-se quando perdem a atividade do FUN.

Artigo relatando a pesquisa recebeu o seguinte resumo:

“As plantas se adaptam às condições ambientais flutuantes, ajustando seu metabolismo e expressão genética para manter a boa forma. Nas leguminosas, a homeostase do nitrogênio é mantida pelo equilíbrio do nitrogênio adquirido dos recursos do solo com a fixação de nitrogênio por bactérias simbióticas nos nódulos das raízes. Aqui mostramos que o zinco, um micronutriente essencial para as plantas, atua como um segundo mensageiro intracelular que conecta as mudanças ambientais ao controle do fator de transcrição da atividade metabólica nos nódulos radiculares. Identificamos um regulador transcricional, Fixação Sob Nutrato (FUN), que atua como um sensor, com o zinco controlando a transição entre uma megaestrutura filamentosa inativa e um regulador transcricional ativo. Concentrações mais baixas de zinco no nódulo, que mostramos ocorrer em resposta a níveis mais elevados de nitrato no solo, dissociam o filamento e ativam o FUN. O FUN então visa diretamente vários caminhos para iniciar a decomposição do nódulo. O mecanismo de filamentação dependente de zinco estabelece assim uma leitura de concentração para adaptar a função do nódulo às condições ambientais de nitrogênio. Numa perspectiva mais ampla, estes resultados têm implicações para a compreensão do papel dos iões metálicos na integração de sinais ambientais com o desenvolvimento das plantas e na optimização do fornecimento de azoto fixo nas culturas leguminosas."

O artigo completo pode ser lido em doi.org/10.1038/s41586-024-07607-6