Genome-Wide Identification of the CHS Gene Family in Platycodon grandiflorus and Expression Analysis Under Multiple Phytohormone Treatments

As plantas são fábricas químicas, fabricando constantemente uma vasta gama de compostos para sobreviverem, crescerem e se defenderem. Entre essas ferramentas químicas estão os flavonoides, um grande grupo de moléculas que conferem às flores suas cores vibrantes, protegem as folhas da luz solar intensa e ajudam as plantas a combater doenças. Para os seres humanos, esses mesmos compostos são frequentemente a fonte das propriedades curativas encontradas nas ervas medicinais. Para produzir esses flavonoides, as plantas dependem de uma linha de montagem específica de enzimas, com uma enzima em particular atuando como o porteiro. Este porteiro, conhecido como chalcona sintase, realiza o primeiro passo crítico, combinando blocos de construção moleculares menores para criar a base para toda a produção de flavonoides. Sem esta enzima, toda a linha de produção da fábrica para, e a planta não consegue produzir esses compostos protetores vitais.

Compreender como uma planta controla este porteiro é a chave para entender como ela produz seu valor medicinal. No caso da flor-balão, uma erva perene usada há séculos na medicina tradicional do Leste Asiático para tratar tosses e inflamações, os cientistas sabem há muito tempo que ela contém flavonoides valiosos. No entanto, as instruções genéticas específicas que dizem à planta quando e quanto deste porteiro deve ser produzido permaneceram um mistério. Pesquisadores da Faculdade de Medicina Tradicional Chinesa de Sichuan propuseram-se a mapear toda a família de genes responsáveis por esta enzima na flor-balão, observando como estes genes estão organizados, como mudaram ao longo do tempo e como reagem a diferentes sinais químicos dentro da planta.

A equipe começou examinando o código genético completo da flor-balão para encontrar cada instância do gene que codifica a chalcona sintase. Eles identificaram vinte genes distintos, que nomearam de um a vinte. Estes genes não estão espalhados aleatoriamente; eles estão distribuídos de forma desigual em nove dos cromossomos da planta, com uma forte concentração nos cromossomos um, dois e três. Em alguns destes cromossomos, os genes estão agrupados em grupos apertados, sugerindo que foram criados quando seções do genoma foram copiadas e coladas durante a história evolutiva da planta. Este padrão de duplicação parece ser a principal razão pela qual a flor-balão possui tantas cópias deste gene, em vez de todo o genoma ter dobrado de tamanho, o que acontece em outras espécies de plantas.

Quando os pesquisadores observaram de perto as proteínas que estes genes criam, descobriram que a maioria são moléculas que amam a água, projetadas para trabalhar dentro da parte fluida da célula, embora algumas sejam previstas para funcionar perto da fronteira externa da célula ou dentro dos cloroplastos produtores de energia. Ao comparar os genes da flor-balão com os de outras plantas, incluindo a planta modelo Arabidopsis e o ginseng medicinal, a equipe descobriu que os genes da flor-balão se dividem em dois grupos evolutivos principais. Um grupo é muito semelhante às enzimas porteiros padrão encontradas em muitas outras plantas, possuindo uma estrutura compacta e eficiente. O segundo grupo, no entanto, tem uma forma ligeiramente diferente, com extensões extras nas extremidades que tornam a proteína mais alongada. Esta diferença estrutural sugere que, embora todos os vinte genes possam iniciar o processo de fabricação de flavonoides, eles podem ter funções especializadas ou eficiências ligeiramente diferentes.

O estudo também examinou os interruptores de controle localizados logo antes de cada gene, conhecidos como promotores. Estes interruptores determinam quando um gene é ligado. Os pesquisadores descobriram que estes interruptores estão repletos de instruções que respondem ao estresse e aos hormônios. Especificamente, eles identificaram inúmeros sinais que reagem ao metil jasmonato, um hormônio vegetal natural que frequentemente sinaliza a necessidade de defesa ou da produção de compostos medicinais. Eles também encontraram sinais para outros hormônios como giberelina, auxina e ácido salicílico, bem como elementos que respondem à seca, ao frio e à luz. Este arranjo complexo de interruptores implica que a planta possui um sistema sofisticado para decidir exatamente qual versão da enzima produzir com base no seu ambiente e necessidades atuais.

Para ver como estes genes realmente se comportam, os pesquisadores trataram plantas jovens de flor-balão com diferentes hormônios e mediram a atividade de oito genes representativos. Os resultados mostraram um padrão claro de especialização. Quando as plantas foram pulverizadas com metil jasmonato, a maioria dos genes testados tornou-se altamente ativa, confirmando que este hormônio é um poderoso gatilho para a linha de produção de flavonoides. No entanto, a resposta a outros hormônios foi muito mais variada. Alguns genes brilharam intensamente quando expostos à giberelina ou auxina, enquanto outros permaneceram quietos ou responderam apenas ao ácido salicílico. Um gene, em particular, não mostrou qualquer mudança significativa na atividade independentemente do tratamento, sugerindo que pode ter um papel constante e basal, em vez de um papel reativo.

Este trabalho fornece o primeiro mapa completo da família da chalcona sintase na flor-balão, revelando um sistema que é ao mesmo tempo robusto e flexível. A presença de vinte genes, criados principalmente através de duplicação segmentar, dá à planta um rico conjunto de ferramentas para gerir a sua produção de flavonoides. O fato de diferentes genes responderem a diferentes sinais hormonais significa que a planta pode ajustar finamente a sua produção química dependendo se está sob ataque, a crescer rapidamente ou simplesmente a manter as suas funções diárias. Ao compreender este panorama genético, os cientistas agora têm uma base sólida para estudos futuros visando aumentar os compostos medicinais nesta valiosa planta, potencialmente levando a melhores formas de cultivar e utilizar as suas propriedades curativas.