Como as plantas ajustam a Rubisco às mudanças de temperatura

As plantas não têm como fugir ao tempo. Quando as temperaturas oscilam entre vagas de frio e ondas de calor, têm de se adaptar no momento - ou pagar o preço.

Este desafio torna-se cada vez mais urgente à medida que os padrões climáticos ficam menos previsíveis. Uma investigação recente indica agora que as plantas podem ter um mecanismo interno para lidar com isso: alteram discretamente uma das proteínas mais importantes da fotossíntese, mantendo-a funcional à medida que o ambiente muda.

Pistas escondidas nas folhas das plantas

O fenómeno foi identificado nas folhas de Arabidopsis thaliana, uma pequena planta com flor frequentemente usada como organismo-modelo em biologia.

A proteína Rubisco, responsável por captar dióxido de carbono durante a fotossíntese, apresentou “peças” externas distintas em condições frias e quentes, em vez de conservar uma única configuração fixa.

Ao acompanhar estas alterações na Universidade de Cornell, a Dra. Laura Helen Gunn registou que a mesma enzima central passava a incorporar componentes externos diferentes conforme a temperatura variava.

Em ambiente mais fresco, dominava uma forma associada a reacções mais rápidas; já em temperaturas mais elevadas, prevalecia uma versão com uma estrutura mais estável e protegida.

Esta troca dependente da temperatura define o padrão principal, mas para perceber por que motivo estas versões fazem diferença é preciso olhar com mais atenção para o papel da Rubisco.

A proteína por detrás do crescimento das plantas

Cada folha verde depende da proteína Rubisco, porque é ela que integra o dióxido de carbono no trabalho químico que sustenta o crescimento.

Logo no primeiro passo da fotossíntese, esta proteína ajuda a converter o carbono do ar em açúcares que as plantas utilizam para crescer.

Uma estimativa global apontou para a existência de mais de 770 milhões de toneladas norte-americanas (EUA) de Rubisco - cerca de 699 milhões de toneladas métricas -, o que significa que mesmo pequenas variações na eficiência com que capta dióxido de carbono podem ter efeitos desproporcionados.

Quando a Rubisco abranda ou liga oxigénio em vez de dióxido de carbono, a planta perde eficiência, a fotossíntese enfraquece e o potencial das culturas diminui.

Pequenas alterações na parte exterior

Apesar de ser uma das proteínas mais importantes do planeta, a Rubisco não é um bloco rígido único. No centro, existem oito componentes proteicos grandes que fazem a química da captura de dióxido de carbono.

À volta desse núcleo, encontram-se oito componentes mais pequenos que ajudam a controlar a forma como todo o conjunto se movimenta.

Os cientistas chamam a estas peças externas subunidades. Funcionam como elementos ajustáveis: contribuem para manter a estrutura e, ao mesmo tempo, permitem pequenas mudanças durante as reacções.

Esta “camada” exterior dá às plantas uma via mais rápida para responder a alterações como as da temperatura.

Em vez de reconstruírem toda a proteína que fixa carbono, podem trocar estas subunidades menores para afinar o comportamento da Rubisco.

Como a temperatura afecta as plantas

A temperatura parece influenciar directamente quais dessas peças externas a planta utiliza. Perto de 10°C, as plantas inclinavam-se para uma versão de Rubisco orientada para a rapidez.

Nessa forma, as subunidades exteriores deixavam a proteína mover-se com mais liberdade, aumentando o número de vezes por segundo em que conseguia fixar dióxido de carbono. Assim, a produção de açúcares continuava, mesmo em frio - quando as reacções químicas tendem a abrandar.

Já por volta de 30°C, o equilíbrio mudava. A Rubisco passava a usar subunidades que criavam uma estrutura mais compacta e controlada.

Esta versão actuava de forma mais cautelosa, segurando o dióxido de carbono com maior firmeza e reduzindo reacções “desperdiçadas”, que se tornam mais frequentes com o calor.

Experiências anteriores observaram o mesmo padrão: plantas cultivadas no frio tinham cerca de 65 por cento de um tipo de subunidade, enquanto plantas cultivadas no calor favoreciam outro.

A mudança evidencia uma compensação clara. A forma adaptada ao frio é mais rápida, mas menos controlada; a forma adaptada ao calor é mais estável, porém globalmente mais lenta. Em vez de adoptarem um desenho fixo, as plantas parecem ajustar-se às condições em redor.

Pequenas mudanças, grandes efeitos

Nem todas as moléculas de Rubisco seguem um padrão perfeitamente uniforme. Nos ensaios, muitas formaram versões mistas, combinando diferentes tipos de subunidades externas em vez de se manterem num único tipo.

Entre 54 e 72 por cento das proteínas acabaram nestas formas híbridas, frequentemente em várias proporções distintas.

Esse mosaico sugere flexibilidade, mas não aleatoriedade. As plantas podem estar a usar estas combinações para afinar ainda mais o desempenho, embora a forma exacta como isso se traduz dentro de células vivas ainda esteja a ser investigada.

Ao mesmo tempo, as diferenças entre as próprias subunidades são surpreendentemente pequenas. Neste caso, apenas oito aminoácidos separam a versão associada ao frio da versão associada ao calor.

Ainda assim, essas alterações mínimas podem mudar a forma como a proteína “flecte”, o que afecta a velocidade, a estabilidade e a capacidade de segurar o dióxido de carbono.

Imagens de microscopia electrónica mostraram que a versão ligada ao calor se torna mais ordenada em zonas-chave, apertando o centro activo da proteína. É um lembrete de que até os mais pequenos ajustes moleculares podem propagar-se e transformar a função de forma marcante.

Quando o tempo se torna extremo

Ondas de calor imprevisíveis e vagas de frio tornam esta flexibilidade proteica mais do que uma curiosidade de laboratório para a agricultura.

As plantas cultivadas não conseguem afastar-se do mau tempo ou de temperaturas extremas; por isso, a sua química tem de absorver cada mudança súbita no local onde crescem.

“Isso é mesmo importante, porque há muita perda de colheitas devido ao tempo imprevisível, como ondas de calor ou vagas de frio”, afirmou Gunn.

Controlar melhor a Rubisco pode dar aos melhoradores de plantas mais um alvo para culturas sujeitas a épocas de crescimento mais duras, em campos agrícolas sob stress.

Testar grandes culturas a seguir

Os próximos trabalhos deverão avançar para além de Arabidopsis thaliana e focar-se em culturas de grande importância, como arroz, batata, soja, algodão, cevada e milho - plantas que alimentam e vestem as pessoas e sustentam economias agrícolas em climas e sistemas alimentares muito diferentes.

“O próximo passo é perceber exactamente como esses ‘casacos’ proteicos mudam o ajuste e a função da Rubisco, para podermos começar a desenhar versões personalizadas afinadas para diferentes condições”, disse Gunn.

Se este tipo de afinação também se verificar nestas culturas, pode alargar as opções de melhoramento para agricultores confrontados com temperaturas em mudança. Caso contrário, orientará os investigadores para outras estratégias de protecção das plantas face ao stress térmico.

De qualquer forma, a descoberta muda a forma de ver a Rubisco. Em vez de um estrangulamento fixo, passa a parecer uma proteína que as plantas conseguem ajustar à medida que o tempo varia de ano para ano.

Este conhecimento pode orientar a investigação em culturas agrícolas, sendo o passo mais importante a confirmação em grandes culturas alimentares.