Genome-wide Identification and Characterization of the 3- Dehydroquinate Dehydratase/Shikimate Dehydrogenase Gene Family in Rubus chingii Hu

As plantas não são apenas vegetação passiva; elas são fábricas químicas que fabricam constantemente uma vasta gama de compostos para sobreviver, crescer e se defender. Entre essas fábricas mais vitais está uma via metabólica conhecida como via do shikimato, uma rota fundamental que as plantas usam para construir os blocos de construção para aminoácidos e uma série de produtos químicos protetores. Em um ponto crítico desta via, encontra-se uma enzima única que desempenha um papel duplo: ela ajuda a criar o ácido shikímico, um precursor de muitos componentes essenciais das plantas, e também direciona o processo para a produção de ácido gálico. O ácido gálico é um composto fenólico poderoso encontrado em muitas frutas e ervas, conhecido por suas propriedades antioxidantes e seu papel como um precursor direto do ácido elágico, outro composto benéfico. Compreender como as plantas controlam essa enzima específica é fundamental para entender como elas regulam a produção desses compostos valiosos, que frequentemente determinam o valor nutricional e medicinal da planta.

Pesquisadores voltaram sua atenção para a Rubus chingii, um arbusto trepador nativo da China que é valorizado tanto como fruto quanto como medicina tradicional. Os frutos verdes da planta são usados para tratar diversas enfermidades, enquanto os frutos maduros são consumidos como uma iguaria. A planta é particularmente rica em ácido gálico e ácido elágico, mas os cientistas não entendiam totalmente como os genes da planta controlavam a produção desses compostos. Para resolver esse enigma, uma equipe de cientistas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Zhejiang conduziu um estudo abrangente para mapear os genes específicos responsáveis pela enzima que faz a ponte entre o ácido shikímico e o ácido gálico. Eles queriam saber quantos desses genes a planta possui, onde estão localizados, como são estruturados e quando são ativados ou desativados durante o ciclo de vida da planta.

A equipe começou escaneando todo o genoma da Rubus chingii para encontrar os genes que codificam essa enzima específica. Eles identificaram exatamente quatro genes, que nomearam como RcDHD/SDH1 até RcDHD/SDH4. Esses genes não estão espalhados aleatoriamente; eles estão distribuídos uniformemente em apenas dois dos cromossomos da planta. Os pesquisadores então examinaram as propriedades físicas das proteínas que esses genes criam. Eles descobriram que as proteínas variam em tamanho, com algumas sendo bastante grandes, contendo mais de 1.300 aminoácidos, enquanto outras são menores. Apesar dessas diferenças de tamanho, todas as quatro proteínas compartilham um núcleo estrutural comum que permite que funcionem como enzimas. O estudo previu que essas proteínas operam principalmente no núcleo e no citoplasma das células vegetais, os dois compartimentos principais onde ocorrem as atividades celulares.

Para entender como esses genes evoluíram, os cientistas os compararam com genes semelhantes encontrados em outras plantas, variando de arroz e milho a soja e uva. A análise revelou que os quatro genes na Rubus chingii pertencem a um grupo de família específico que é compartilhado com outras plantas de folhas largas, ou dicotiledôneas, como a soja. Eles não se agruparam com os genes encontrados em gramíneas como arroz ou milho, sugerindo que este grupo de genes seguiu um caminho evolutivo distinto em plantas de folhas largas. Os pesquisadores também observaram a estrutura dos próprios genes, notando que eles contêm entre nove e quatorze segmentos, conhecidos como éxons, que são as partes do gene que carregam as instruções para a construção da proteína. Essa variação estrutural sugere que, embora os genes sejam relacionados, eles divergiram o suficiente para potencialmente desempenhar funções ligeiramente diferentes.

Uma parte crucial da investigação envolveu observar os "interruptores" localizados próximos a esses genes. Esses interruptores, conhecidos como elementos cis-atuantes, são sequências de DNA que dizem ao gene quando ligar. Os pesquisadores descobriram que os interruptores para esses quatro genes são sensíveis à luz, temperatura e vários hormônios vegetais. Isso significa que a produção da enzima é provavelmente influenciada pelo ambiente, como mudanças na luz solar ou a presença de estresse. Especificamente, os genes parecem ter interruptores que respondem ao metil jasmonato, um hormônio envolvido na defesa, bem como à auxina e ao ácido abscísico, que regulam o crescimento e as respostas ao estresse.

A equipe então passou do computador para a estufa para ver como esses genes se comportam em uma planta viva. Eles mediram a atividade dos genes em diferentes partes da planta, incluindo raízes, caules, folhas, flores e frutos em vários estágios de amadurecimento. Descobriram que os genes estão ativos em todos os lugares, mas a intensidade varia. Um gene, RcDHD/SDH4, foi particularmente ativo nos caules e folhas, enquanto os outros mostraram atividade mais consistente nas raízes. Quando rastrearam os genes durante o desenvolvimento do fruto, um padrão claro surgiu. Os genes estavam mais ativos quando o fruto era pequeno e verde. À medida que o fruto crescia e começava a mudar de cor, a atividade desses genes caía significativamente.

Essa queda na atividade gênica não foi aleatória; ela coincidiu perfeitamente com os níveis dos produtos químicos que os genes ajudam a produzir. Os pesquisadores mediram a quantidade de ácido gálico e ácido elágico no fruto em cada estágio. Eles descobriram que esses compostos se acumulam rapidamente quando o fruto é pequeno e verde, atingindo seus níveis máximos antes de o fruto ficar vermelho. À medida que o fruto amadurecia e a atividade gênica declinava, os níveis desses produtos químicos também se estabilizavam ou diminuíam. Essa correlação estreita sugere que os genes são mais críticos durante os estágios iniciais do crescimento do fruto, impulsionando a produção desses compostos protetores quando o fruto está mais vulnerável.

Para confirmar que esses genes são de fato responsivos aos sinais internos da planta, os pesquisadores trataram as folhas com diferentes hormônios. Quando aplicaram metil jasmonato, a atividade dos genes disparou, com alguns aumentando sua atividade em mais de cinco vezes. Isso confirmou que a planta utiliza esses genes como parte de seu sistema de defesa, intensificando a produção quando detecta uma ameaça. Da mesma forma, os genes responderam à auxina e ao ácido abscísico, embora de maneiras diferentes, com um gene mostrando um aumento massivo de trinta e duas vezes na atividade quando exposto à auxina. Esses resultados indicam que a planta possui um sistema sofisticado para regular esses genes, aumentando ou diminuindo a produção dependendo se precisa crescer, se defender ou gerenciar o estresse.

O estudo conclui que os quatro genes identificados na Rubus chingii são os principais controladores da enzima que liga o ácido shikímico ao ácido gálico. Sua atividade é mais alta nos estágios iniciais do desenvolvimento do fruto e nas folhas, o que se alinha com os períodos em que a planta precisa produzir altos níveis de ácido gálico e ácido elágico. A pesquisa fornece um mapa detalhado de como esses genes são estruturados, onde estão localizados e como respondem ao ambiente. Compreender essa maquinaria genética permite que os cientistas apreciem melhor como esta planta produz seus compostos medicinais e, futuramente, possam usar esse conhecimento para melhorar a qualidade do fruto ou aumentar a produção desses compostos valiosos para uso humano. O trabalho estabelece uma base para estudos futuros que possam explorar como manipular esses genes para reforçar as defesas naturais da planta ou aumentar o rendimento de seus compostos benéficos.