Como a microscopia criogênica poderia ajudar a fortalecer a segurança alimentar

Uma equipe de pesquisa conjunta da EPFL e da Universidade de Lausanne relata uma nova observação de um mecanismo de proteção de plantas em resposta ao estresse salino. O estudo abre novos caminhos de pesquisa para fortalecer a segurança alimentar.

De acordo com as Nações Unidas, a salinização do solo afecta entre 20% e 40% das terras aráveis ​​a nível mundial, sendo a actividade humana e as alterações climáticas – especialmente a subida do nível do mar – em grande parte responsáveis ​​por este processo. Embora o corpo humano precise de sódio para funcionar, este não é o caso da maioria das plantas. Na verdade, o excesso de sal em torno das raízes das plantas bloqueia gradualmente o seu acesso à água, retardando o seu crescimento, envenenando-as e acelerando a sua morte. Todos os anos, dez milhões de hectares de terras agrícolas são destruídos pela salinização do solo, o que representa uma ameaça à segurança alimentar global.

Cientistas da EPFL e da Universidade de Lausanne (UNIL) e seus parceiros espanhóis observaram como o 'Salt Overly Sensitive 1' (SOS1), um gene identificado em 1996, protege as células vegetais do sal. A equipe de biólogos e engenheiros produziu imagens sem precedentes usando a microssonda de íons CryoNanoSIMS (Cryo Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry). Com este instrumento de microscopia criogênica – o único desse tipo no mundo – eles conseguiram obter imagens precisas do local onde um nutriente específico é armazenado ou usado dentro de uma amostra de célula ou tecido. Suas observações mostram que, sob altos níveis de estresse salino, o transportador de íons SOS1 não remove mais o sódio, mas ajuda a carregá-lo em estruturas chamadas vacúolos dentro das células. Compreender melhor este mecanismo e descobrir porque é que algumas espécies são mais tolerantes ao sódio do que outras poderia, segundo os cientistas, permitir-nos desenvolver novas estratégias para reforçar a segurança alimentar. Suas descobertas acabaram de ser publicadas em Natureza.

Agora podemos ver para onde o sódio é transportado em diferentes níveis de estresse salino – algo que não conseguimos fazer nesta resolução antes

Priya Ramakrishna, pesquisadora de pós-doutorado no Laboratório de Geoquímica Biológica (LGB) da EPFL

Primeira prova visual

“Nossa pesquisa fornece a primeira prova visual, em escala celular, de como as plantas se protegem contra o excesso de sódio”, diz Priya Ramakrishna, pesquisadora de pós-doutorado no Laboratório de Geoquímica Biológica (LGB) da EPFL e principal autora do artigo. “As hipóteses anteriores deste mecanismo baseavam-se em evidências indiretas. Agora podemos ver para onde o sódio é transportado em diferentes níveis de estresse salino – algo que não conseguimos fazer antes nesta resolução.” A equipa conjunta da EPFL e da UNIL realizou observações com detalhes sem precedentes com o instrumento CryoNanoSIMS recentemente desenvolvido, que permite obter imagens químicas de tecidos biológicos com uma resolução de 100 nanómetros, neste caso em amostras de raízes de plantas que foram congeladas num instante. banho de nitrogênio líquido e mantido a temperaturas muito baixas sob vácuo, para preservar todos os elementos no tecido.

Esta abordagem permitiu-lhes mapear células vegetais individuais e ver onde elementos-chave, como potássio, magnésio, cálcio e sódio, estavam armazenados nas pontas das raízes das plantas – a parte da planta conhecida como “meristema apical da raiz” – que contém as células estaminais. responsável pelo desenvolvimento do sistema radicular da planta. A imagem CryoNanoSIMS mostrou a condição da raiz em duas condições diferentes de estresse salino.

Uma mudança de estratégia

Sob leve estresse salino, as células conseguem impedir a entrada de sódio. Mas a equipe observou uma mudança de estratégia sob alto estresse salino: em vez de evacuar o sódio, como se pensava anteriormente, o transportador SOS1 ajuda a sequestrá-lo em vacúolos que servem para armazenar produtos indesejados. “Mas este mecanismo de defesa consome muita energia, retardando o crescimento da planta, inibindo seu desempenho e, em última análise, levando à sua morte se o estresse salino persistir”, explica Ramakrishna. Os investigadores validaram as suas observações realizando as mesmas experiências em amostras mutantes sem o gene transportador SOS1, revelando a sua incapacidade de transportar sódio para os vacúolos, o que explica a sua sensibilidade fortemente aumentada ao sal. Eles também realizaram os testes usando amostras de raízes retiradas do arroz – a cultura mais comum do mundo – e descobriram que, também neste caso, o sódio foi transportado para o vacúolo sob alto estresse salino.

Com este tipo de colaboração verdadeiramente interdisciplinar, podemos combinar localização com função e compreender mecanismos e processos que nunca foram observados antes

Anders Meibom, professor titular da Universidade de Lausanne e EPFL

Combinando localização com função

Para Ramakrishna, biólogo vegetal de formação, a imagem química possibilitada pelo instrumento CryoNanoSIMS é uma virada de jogo completa. E o instrumento também poderia ser usado para investigar como as plantas se protegem contra outras ameaças, como a poluição por metais pesados ​​e micróbios. “Com este tipo de colaboração verdadeiramente interdisciplinar, ou seja, combinando biologia e engenharia, podemos combinar localização com função e compreender mecanismos e processos que nunca foram observados antes”, diz o autor correspondente Anders Meibom, professor da Escola de Arquitetura, Civil da EPFL. e Engenharia Ambiental (ENAC) e Faculdade de Geociências e Meio Ambiente da UNIL, em cujo laboratório foi desenvolvido o instrumento CryoNanoSIMS.

Niko Geldner, coautor correspondente do artigo, chefe da equipe de pesquisa da Faculdade de Biologia e Medicina da Universidade de Lausanne e líder da equipe da Universidade de Lausanne, está igualmente entusiasmado com esta colaboração: “As plantas dependem fundamentalmente da extração de nutrientes minerais do solo, mas nunca fomos capazes de observar o seu transporte e acumulação com resolução suficiente. A tecnologia CryoNanoSIMS finalmente consegue isso e promete transformar a nossa compreensão da nutrição das plantas, além do problema do sal.” A professora Christel Genoud, coautora do artigo e diretora do Dubochet Center for Imaging, acrescenta: “Esta técnica está abrindo um horizonte inteiramente novo na imagem de tecido biológico e coloca nossas instituições como líderes nesta fronteira”.

Referências

Priya Ramakrishna, Francisco M. Gámez-Arjona, Etienne Bellani, Cristina Martin-Olmos, Stephane Escrig, Damien De Bellis, Anna De Luca, José M Pardo, Francisco J. Quintero, Christel Genoud, Clara Sanchez Rodriguez, Niko Geldner e Anders Meibom , “Acúmulo de sódio vacuolar dependente de SOS1 revelado por crioimagem elementar”, Nature, 15 de janeiro de 2025. DOI: 10.1038/s41586-024-08403-y