Um novo atlas celular mostra como os genes são ativados em cada estágio do ciclo de vida da planta
Pesquisadores do Instituto Salk mapearam todos os tipos de células e estágios de desenvolvimento ao longo de todo o ciclo de vida da planta modelo Arabidopsis. Este novo "Atlas" é um recurso aberto, publicado na Nature Plants, que mapeia a expressão gênica em mais de 400.000 células em 10 estágios de desenvolvimento.
Quase tudo o que você sabe sobre plantas foi descoberto em uma planta da qual você provavelmente nunca ouviu falar. Arabidopsis thaliana, também conhecida como agrião-de-thale, é uma pequena erva daninha com flores que moldou grande parte da biologia vegetal como a conhecemos. Como a espécie de planta emblemática da maioria das pesquisas sobre plantas ao longo do último meio século, a Arabidopsis nos ensinou como as plantas respondem à luz, quais hormônios controlam seu comportamento e por que algumas plantas desenvolvem raízes longas e profundas, enquanto outras desenvolvem raízes rasas e largas. No entanto, apesar de seu prestígio entre os biólogos de plantas em todo o mundo, muitos elementos do ciclo de vida da Arabidopsis permanecem um mistério.
Assim, pesquisadores do Instituto Salk criaram o primeiro atlas genético abrangendo todo o ciclo de vida da Arabidopsis. O novo atlas, criado utilizando transcriptômica espacial e unicelular detalhada, captura os padrões de expressão gênica de 400.000 células em múltiplos estágios de desenvolvimento, à medida que a Arabidopsis cresce de uma única semente até se tornar uma planta madura. Este recurso disponível ao público será inestimável para estudos futuros de diferentes tipos de células vegetais e estágios de desenvolvimento, e como elas respondem ao estresse e a estímulos ambientais.
atlas2.jpg88.65 KBIMAGEM: A análise transcriptômica espacial de Arabidopsis thaliana mostra a impressionante diversidade celular na flor da planta, com cada cor representando um tipo distinto de célula. Crédito: Instituto Salk
As descobertas, recentemente publicadas na Nature Plants, contribuirão para a expansão da pesquisa e do desenvolvimento em biotecnologia vegetal, agricultura e ciências ambientais.
“Fizemos grandes avanços em nossa compreensão da biologia vegetal, mas, até recentemente, havia um obstáculo tecnológico que nos impedia de catalogar de forma abrangente os tipos de células e os genes que elas expressam uniformemente em todos os estágios de desenvolvimento”, afirma o autor sênior Joseph Ecker, professor, presidente do Conselho Internacional de Genética Salk e pesquisador do Instituto Médico Howard Hughes. Nosso estudo muda isso. Criamos um conjunto de dados de expressão genética fundamental da maioria dos tipos de células, tecidos e órgãos, em todo o espectro do ciclo de vida da Arabidopsis.
atlasvegetal-1100x619.jpg325.58 KBIMAGEM: Ilustração que captura as descobertas do estudo, com Arabidopsis thaliana brotando entre células e fitas de DNA, tudo dentro de um balão. Crédito: Aga Weickoeska
Como mapear uma planta
Ao longo de seus muitos anos como planta modelo, a Arabidopsis tem sido objeto de inúmeros experimentos. Cientistas trabalham há décadas para decodificar seu genoma, mapeando os genes expressos em cada tipo de célula em vários tecidos e órgãos da planta. Usando esses mapas incrementais, os cientistas podem começar a descobrir quais genes controlam a identidade e o comportamento de diferentes partes da planta.
Uma maneira eficaz de criar esses mapas é por meio do sequenciamento de RNA de célula única. Essa técnica de sequenciamento genético analisa os produtos do genoma (fitas de RNA) em vez do código original do DNA. Isso facilita para os cientistas determinarem quais genes são realmente usados em uma célula e quantos. Os mapas de expressão gênica também ajudam os pesquisadores a caracterizarem os diferentes tipos de células dentro de uma espécie. Como cada célula de um organismo contém o mesmo código genético, diferentes tipos de células podem ser identificados pelo padrão único de genes que expressam.
Embora o sequenciamento de RNA de célula única tenha permitido aos cientistas criar mapas detalhados de tipos de células, esses mapas normalmente se limitam a órgãos ou tecidos específicos; por exemplo, apenas as raízes da planta são observadas, ignorando o caule, as flores e as folhas. Para passar de pequenos mapas genéticos a um atlas sofisticado, os pesquisadores de Salk combinaram o sequenciamento de RNA de célula única com outra tecnologia: a transcriptômica espacial.
Melhor tecnologia, melhores mapas
Com o sequenciamento de RNA de célula única, os pesquisadores são forçados a separar os tecidos de interesse e processar suas células isoladamente. Com a transcriptômica espacial, os pesquisadores podem criar mapas genômicos de plantas como elas existem no mundo real, dentro de seu contexto tecidual. A estrutura, a forma e a localização das células e tecidos em toda a planta podem permanecer intactas durante todo o processo de sequenciamento. O resultado é uma visão detalhada da identidade celular em múltiplos tecidos e órgãos simultaneamente.
“O que mais me entusiasma neste trabalho é que agora podemos ver coisas que simplesmente não conseguíamos antes”, diz Natanella Illouz-Eliaz, coautora principal e pesquisadora de pós-doutorado no laboratório Ecker. “Imagine poder observar onde até mil genes estão ativos simultaneamente, no contexto real dos tecidos e células da planta. Isso não só é fascinante por si só, como já levou a descobertas, como a descoberta de genes envolvidos no desenvolvimento da vagem da semente que ninguém conhecia antes. Há muito mais a descobrir nesses dados, e essa sensação de possibilidade é o que realmente me entusiasma.”
O atlas do transcriptoma espacial unicelular abrange 10 estágios do desenvolvimento de Arabidopsis, desde a semente no solo até a floração adulta. Mais de 400.000 células foram capturadas ao longo deste ciclo de vida, demonstrando a surpreendente diversidade de tipos celulares que podem ser encontrados em um único organismo.
Para onde o novo mapa nos leva
Ao analisar todo o ciclo de vida de Arabidopsis, em vez de apenas uma única imagem, os pesquisadores já descobriram um conjunto surpreendentemente dinâmico e complexo de características responsáveis pela regulação do desenvolvimento das plantas. Eles também descobriram inúmeros novos genes cuja expressão e função em tipos de células individuais podem agora ser exploradas com mais profundidade.
"Este estudo será uma ferramenta poderosa para a geração de hipóteses em todo o campo da biologia vegetal", afirma o coautor sênior Travis Lee, pesquisador de pós-doutorado no laboratório Ecker. "Nosso aplicativo web fácil de usar torna este atlas do ciclo de vida fácil para a comunidade de ciências vegetais acessar simplesmente navegando em nosso site, e estamos ansiosos para aprender com os inúmeros estudos genômicos unicelulares que ele agora possibilitará."
Os pesquisadores esperam que este novo recurso, atualmente disponível gratuitamente online, permita uma exploração mais aprofundada do desenvolvimento das células vegetais, ajude a explicar como as plantas respondem a perturbações genéticas e ambientais e promova o avanço da biologia vegetal de forma mais geral.
Outros autores incluem Jiaying Xu, Bruce Jow e Joseph Nery, do Salk, bem como Tatsuya Nobori, ex-funcionário do Salk e atualmente no Laboratório Sainsbury, no Reino Unido.
O trabalho foi apoiado pelo Programa de Ciência das Fronteiras Humanas (nº LT000661/2020-L), pela Fundação George E. Hewitt para Pesquisa Médica, pelo Instituto Weizmann de Ciências, pelos Institutos Nacionais de Saúde (NIGMS K99GM154136) e pelo Instituto Médico Howard Hughes.
