Os cientistas descobriram uma nova forma promissora de proteger algumas das culturas alimentares mais importantes do mundo contra um fungo destrutivo que ameaça a segurança alimentar global. Através da engenharia das defesas imunitárias naturais das plantas, os investigadores desenvolveram uma abordagem experimental que poderia, em última análise, ajudar o trigo, o arroz e a cevada a resistir mais eficazmente às infecções fúngicas.
A equipe de pesquisa internacional, liderada por cientistas do Centro John Innes, no Reino Unido, investigou um grupo de receptores imunológicos de plantas recentemente descobertos. Eles identificaram como essas proteínas reconhecem patógenos invasores e demonstraram que podem ser modificadas para detectar múltiplas ameaças fúngicas. As descobertas podem abrir a porta para culturas com resistência mais forte e durável a doenças.
“Descobrimos algo que pode levar a uma potencial intervenção na pior doença fúngica dos cereais”, disse o professor Mark Banfield, líder do grupo de investigação do Centro John Innes e autor do estudo, que incluiu colegas da Universidade de Kobe, no Japão.
Um fungo destrutivo ameaça o abastecimento global de alimentos
O objetivo da pesquisa é magnaporthe oryzaeO fungo responsável pela doença blástica. Causa a doença fúngica mais grave que afecta o arroz cultivado e tornou-se também uma grande ameaça para o trigo e a cevada em partes da Ásia e de África.
A perda é enorme. Todos os anos, as explosões de arroz destroem arroz suficiente para alimentar cerca de 60 milhões de pessoas. À medida que o fungo se espalha por mais áreas agrícolas, o desenvolvimento de formas eficazes de proteger as culturas tornou-se cada vez mais importante para a segurança alimentar global.
O fungo infecta as plantas através de uma estratégia biológica sofisticada. Ele fornece moléculas especiais conhecidas como efetoras às células das folhas e caules. Essas moléculas interferem nas funções normais das plantas, permitindo que o patógeno estabeleça infecções e promova doenças.
No entanto, as plantas desenvolveram os seus próprios sistemas de defesa. Receptores imunológicos específicos podem reconhecer essas moléculas estranhas e desencadear uma resposta protetora. Um mecanismo importante envolve a morte de células infectadas em uma área controlada e localizada, ajudando a evitar que o patógeno se espalhe ainda mais pela planta.
Cientistas descobrem uma defesa imunológica oculta das plantas
Por mais de três décadas, a maioria das pesquisas sobre imunidade em plantas concentrou-se em proteínas chamadas receptores de ligação a nucleotídeos e ricos em leucina (NLRs). Estes receptores têm desempenhado um papel central na compreensão de como as culturas reconhecem e se defendem contra a brusone e outras infecções.
Recentemente, os cientistas começaram a investigar outro grupo de proteínas imunológicas encontradas nas culturas de grãos, conhecidas como proteínas tandem quinase (TKPs). Embora os investigadores ainda estejam a aprender como funcionam estes receptores, eles parecem proporcionar oportunidades adicionais para fortalecer as defesas das plantas.
Estudos anteriores mostraram que alguns TKPs contêm uma região especial chamada domínio associado a metais pesados (HMA). Regiões semelhantes também são encontradas em alguns receptores NLR, onde ajudam a reconhecer efetores de patógenos e a iniciar respostas imunes.
Esta característica partilhada chamou a atenção de Banfield e dos seus colegas porque sugeria que os cientistas poderiam ser capazes de redesenhar os receptores para reconhecer ameaças adicionais de fungos.
“Isso despertou nosso interesse”, disse o professor Banfield. “Se pudermos projetar esses domínios HMA integrados para terem novas propriedades, alterando onde os aminoácidos na proteína mudam, onde os efetores se ligam, podemos alcançar o que chamamos de novas especificidades de reconhecimento – e potencialmente uma nova linha de frente para proteger as plantas contra doenças.”
Visando moléculas de ataque fúngico
No estudo, publicado avanço da ciênciaOs pesquisadores investigaram exatamente como os domínios HMA interagem com as moléculas liberadas pelo fungo blasto.
Usando técnicas biofísicas e cristalografia, método que permite aos cientistas determinar a estrutura tridimensional detalhada das moléculas, a equipe obteve uma visão em alta resolução de como esses receptores vegetais se ligam aos efetores fúngicos.
Os resultados mostraram que os domínios HMA podem atuar como iscas biológicas. Ao se ligarem a moléculas utilizadas pelos fungos durante a infecção, essas regiões ajudam as plantas a reconhecer a presença de um patógeno invasor e a ativar suas defesas.
Munidos desta informação estrutural, os investigadores modificaram os receptores imunitários TKP para que pudessem reconhecer dois efectores fúngicos diferentes associados à infecção no trigo e na cevada.
Esta capacidade de detectar alvos múltiplos, conhecida como especificidade dupla, é incomum entre os receptores imunológicos que ocorrem naturalmente. Demonstrar que pode ser introduzido através da engenharia de proteínas sugere uma forma promissora de expandir a gama de ameaças que os sistemas imunitários das culturas podem reconhecer.
As conclusões também fornecem uma base para investigar outros TKP recentemente identificados em várias culturas de cereais. Os cientistas poderão eventualmente ser capazes de projetar receptores imunológicos personalizados que detectem vários efetores fúngicos simultaneamente, tornando potencialmente mais difícil para os patógenos infectarem as plantas.
Culturas de engenharia com forte resistência a doenças
Embora as descobertas sejam encorajadoras, a tecnologia está nos estágios iniciais de experimentação.
Os pesquisadores conduziram seus testes iniciais usando protoplastos, células individuais de trigo que servem como um modelo simples para estudar como os tecidos das plantas respondem. O próximo passo é determinar se os receptores projetados podem fornecer proteção eficaz em plantas inteiras cultivadas em condições controladas de estufa.
“Nosso estudo indica que esta nova classe de proteínas de resistência é adequada para fins de engenharia. Agora sabemos que as ferramentas anteriores que usamos na engenharia de receptores NLR também podem funcionar com esta nova classe”, disse o Dr. Daniel Yu, primeiro autor do estudo.
Compreender como os efetores fúngicos se ligam aos receptores imunológicos das plantas também pode ajudar os pesquisadores a aproveitar outras tecnologias. A criação de precisão e a inteligência artificial podem fornecer formas adicionais de redesenhar os domínios HMA, permitindo-lhes reconhecer moléculas de patógenos que anteriormente escaparam à detecção.
Uma possibilidade particularmente promissora envolve a combinação de diferentes tipos de receptores imunológicos na mesma cultura.
Como os NLRs e os TKPs parecem ativar as defesas das plantas através de mecanismos diferentes, usá-los juntos pode criar múltiplas camadas de proteção. Isso pode dificultar o crescimento do fungo no sistema imunológico da planta.
“Acreditamos que essas duas classes de receptores imunológicos, NLRs e TKPs, são provavelmente ativadas de maneiras diferentes”, disse o professor Banfield. “Isso dá a possibilidade de uma imunidade mais robusta no campo porque você não está colocando todos os ovos na mesma cesta. No futuro, poderemos usar tecnologias para empilhar genes que codificam TKP e NLR juntos contra a mesma doença, criando uma cultura super-resistente. Eles terão maneiras diferentes de ativar a imunidade, por isso é provável que seja mais difícil para o patógeno evoluir para longe dele”, disse ele.
Ameaça crescente ao trigo, arroz e cevada
A necessidade de uma melhor protecção está a tornar-se mais urgente à medida que a brusone continua a ameaçar as principais culturas alimentares.
A brusone do trigo foi identificada pela primeira vez no Brasil na década de 1980 e desde então se espalhou por partes da Ásia e da África. Embora a doença não tenha sido detectada no Reino Unido, as alterações climáticas poderão eventualmente criar condições que possam ameaçar a produção de cereais no Norte da Europa.
Para os agricultores, o surgimento da brusone em novas áreas é um sério desafio, especialmente porque o fungo pode ameaçar culturas necessárias para alimentar grandes populações.
Ao revelar como uma classe até então desconhecida de receptores imunológicos de plantas pode ser projetada para reconhecer múltiplas ameaças fúngicas, os pesquisadores identificaram uma nova estratégia potencial para proteção futura de culturas.
Serão necessários mais testes para estabelecer se estas proteções modificadas funcionam eficazmente em todas as plantas e em condições agrícolas. Se for bem-sucedida, a combinação de diferentes receptores imunológicos poderá eventualmente ajudar os cientistas a desenvolver culturas com defesas mais flexíveis contra uma das doenças fúngicas mais devastadoras da agricultura.
