14 Brassinosteroides, Jasmonatos, Ácido Salicílico e Poliaminas

Introdução

Nas últimas décadas, foi identificada uma variedade de compostos orgânicos de ocorrência natural, de abundância menor que as vitaminas (cofatores enzimáticos), porém com habilidade de influenciar processos fisiológicos importantes, como os de expansão, divisão e diferenciação celular, controlados, em geral, por cinco fitormônios clássicos (auxinas, giberelinas, citocininas, etileno e ácido abscísico). No entanto, a ocorrência de alguns deles em concentrações relativamente elevadas nas plantas vai de encontro a um dos quesitos definidores de hormônios em plantas e animais. Em geral, os três primeiros mencionados no título do capítulo têm sido os que mais de perto atendem à definição hormonal stricto sensu.

 

Brassinosteroides

Os esteroides são reconhecidos como hormônios em animais há muito tempo. Todavia, em plantas, a atividade hormonal de esteroides só foi descoberta há cerca de 30 anos, quando a atividade estimuladora do crescimento do extrato de plantas de canola (Brassica napus) foi atribuída a um esteroide, chamado de brassinolídeo, em virtude do nome científico da canola. Desde então, dezenas de esteroides com estrutura química e atividade biológica semelhantes ao brassinolídeo foram identificados e classificados como brassinosteroides (BR).

Do ponto de vista de estrutura química (Figura 14.1), os BR são semelhantes aos esteroides de origem animal, a exemplo dos hormônios que estimulam a troca do esqueleto externo dos insetos. Nas últimas décadas, avanços principalmente em técnicas de cromatografia gasosa associada à espectrometria de massas têm permitido a identificação e a quantificação de um grande número de BR.

 

Figura 14.1 Diagrama simplificado apresentando: (1) a via de biossíntese do brassinolídeo destacando as vias precoce (em azul) e tardia (em vermelho) de oxidação de brassinosteroides; em verde, os precursores das vias biossintéticas, e, em preto, os brassinosteroides com maior atividade biológica; (2) a estrutura química do campesterol (com a posição dos carbonos 6 e 22 destacados em vermelho) e do brassinolídeo.

 

Via biossintética

A principal via de biossíntese de BR se inicia com o esteroide campesterol. Por diversas reações, o campesterol é convertido em campestanol, o qual, em seguida, por duas vias paralelas, chamadas de vias de oxidação precoce

e tardia do carbono 6 (assinalado em vermelho na Figura 14.1), é convertido em castasterona. A castasterona é, então, convertida em brassinolídeo, na última reação da via biossintética dos BR. Todavia, os últimos estudos a respeito da biossíntese do brassinolídeo revelaram que as vias de oxidação precoce e tardia do carbono 6 são conectadas em diversos passos e também estão ligadas à via precoce de oxidação do carbono 22

(assinalado em vermelho na Figura 14.1), sugerindo que os BR são sintetizados por meio de uma malha metabólica, e não somente por vias ramificadas paralelas e lineares. Tal qual os fitormônios clássicos, a inativação dos BR se dá por reações de conjugação, hidroxilação e de degradação da cadeia lateral.

 

Mecanismo de ação

Análises bioquímicas e de genética molecular de mutantes deficientes na síntese e/ou na percepção de BR têm auxiliado, significativamente, na compreensão do metabolismo e da regulação desses hormônios, assim como no entendimento do mecanismo de sinalização desses compostos, incluindo a identificação de receptores (proteínas que se ligam aos BR e possibilitam que estes funcionem) e de genes cuja expressão é regulada por BR.

O mecanismo de ação dos BR se inicia com a ligação direta dessas moléculas a um receptor conhecido como BRI1 (BR-insensitive 1),

localizado na superfície celular (Figura 14.2). A ligação do BR a BRI1 facilita a ligação de um correceptor, conhecido como BAK1 (BRI1 kinase insensitive 1). A essa ligação, segue-se a fosforilação das proteínas conhecidas como BSK1 (brassinosteroid-signaling kinase 1) e CDG1 (constitutive differential growth 1). CDG1 então fosforila uma proteína conhecida como BSU1 (BRI1 suppressor 1), que suprime a atividade da proteína BIN2 (brassinosteroid insensitive 2). Em seguida, os repressores de transcrição BZR1 (brassinazole resistant 1) e BZR2 (brassinazole resistant 2, também conhecido como BES1) são desfosforilados pela proteína PP2A e acumulados no núcleo, onde regulam a expressão de genes que respondem aos BR.

O controle da expansão celular por BR, por exemplo, depende de um grande número de mecanismos que envolvem a regulação da expressão de enzimas localizadas na parede celular e de proteínas do tipo ciclinas, associadas à divisão celular, como as ciclinas do tipo D, além da regulação da atividade de enzimas como aquaporinas, que facilitam a entrada de água nas células. Enzimas localizadas na parede celular, cujos genes têm sua expressão regulada por BR, atuam na montagem e na desmontagem da parede, a exemplo da glucanase e da xiloglucano transglicosilase hidrolase (XTH).

Embora se desconheça transporte de longa distância de BR, a aplicação desses compostos em plantas resulta em alterações significativas em diversos processos fisiológicos, a exemplo do aumento de tolerância contra vários tipos de estresses ambientais, como baixa disponibilidade de água, extremos de temperatura, presença de metais pesados e estresse salino. Esse aumento de tolerância se mostra associado a aumento na atividade de enzimas envolvidas com o mecanismo de proteção contra a produção de radicais livres, a exemplo de peroxidases, catalases, ascorbate peroxidases, glutationa redutases e superóxido dismutases. No caso de plantas tratadas com BR submetidas a temperaturas elevadas, observou-se também um aumento na síntese e na acumulação de proteínas produzidas durante um choque de calor (heat shock proteins). Relação inversa entre estimulação do crescimento induzida por BR e suscetibilidade de plantas a invasão por patógenos também tem sido observada. Em plantas de arroz e tabaco, por exemplo, a aplicação de BR resulta em aumento de resistência contra fungos e bactérias patogênicas.

Figura 14.2 Diagrama simplificado do modelo para o mecanismo de ação do brassinosteroide.

 

Interações dos brassinosteroides com outros hormônios vegetais

Os BR apresentam interações expressivas com outros fitormônios, por meio das quais regulam o crescimento e o desenvolvimento vegetal. Em plantas jovens de Arabidopsis, por exemplo (a planta mais estudada do ponto de vista fisiológico, genético e bioquímico), a aplicação simultânea de BR e giberelinas, ou auxinas, resulta em aumento complementar do alongamento do hipocótilo. Com o ácido abscísico, por sua vez, há uma interação antagônica com os BR, prevenindo, nesse caso, os efeitos induzidos pelos últimos.

 

Efeitos no crescimento e no desenvolvimento das plantas Entre os mais de 70 BR de ocorrência natural identificados em plantas, o

brassinolídeo e a castasterona (ver Figura 14.1) são considerados os mais importantes, fisiologicamente, tanto por sua ampla distribuição quanto por sua potente atividade biológica; a castasterona geralmente apresenta somente 10% da atividade biológica do brassinolídeo. Os BR são hormônios essenciais para o crescimento e o desenvolvimento normal das plantas em razão do seu efeito regulatório sobre uma grande variedade de processos fisiológicos importantes, como a expansão e a divisão celular. A expansão celular induzida por BR está associada ao aumento da atividade de enzimas, envolvidas na diminuição da resistência mecânica da parede celular, a exemplo do que realizam as expansinas, as glucanases e a

xiloglucano transglicosilase hidrolase – XTH (ver Capítulo 8). Certamente, o incremento da atividade de enzimas como as ATPases vacuolares pelos BR, resulta no aumento na absorção de íons e açúcares, tendo como consequência a redução no potencial hídrico das células, levando-as a

absorver mais água e, com isso, aumentar a expansão celular (ver Capítulo

1). Além do aumento na atividade de ATPases vacuolares, a expansão celular induzida por BR está associada ao aumento de atividade de aquaporinas, proteínas intermembranais que facilitam a entrada de água nas células. BR também aceleram a diferenciação de xilema e floema, processos de desenvolvimento fundamentais para o crescimento longitudinal, principalmente de tecidos jovens. Aplicações de BR em baixas concentrações estimulam o alongamento de raízes primárias e a formação de raízes secundárias, enquanto, em concentrações elevadas, inibem o alongamento de raízes primárias e a formação de raízes secundárias. BR também estimulam a expansão foliar e o alongamento de pecíolos, efeitos dependentes da expansão celular induzida pelos BR.

Do ponto de vista do crescimento e do desenvolvimento reprodutivo, os BR estimulam o desenvolvimento de grãos de pólen e de sementes. Esse efeito estimulatório foi demonstrado recentemente em plantas de arroz como resultado de um aumento da expressão do fator de transcrição conhecido como carbon starved anther, que desempenha papel fundamental no controle do direcionamento de açúcares para o líquido contido nas anteras, um direcionamento necessário para o desenvolvimento dos grãos de pólen. Esse aumento no desenvolvimento de grãos de pólen e de sementes resulta no aumento do rendimento das lavouras. Ainda do ponto de vista reprodutivo, os BR também são importantes para o aumento do comprimento do tubo polínico, fator decorrente da estimulação do alongamento celular.

Os BR aceleram o amadurecimento de frutos climatéricos como os de tomate, e não climatéricos como as uvas, acelerando, por exemplo, a degradação de clorofila e o acúmulo de açúcares. BR aumentam o volume e a massa de frutos, em razão da acumulação de açúcares e água, bem como da expansão celular induzida pelos BR. Esses hormônios também aumentam o número de frutos produzidos, em função do seu efeito estimulador sobre o crescimento e o desenvolvimento reprodutivo, discutido anteriormente. Esse aumento no número, no volume e na massa de frutos induzido por BR resulta no aumento de rendimento de pomares tratados com esse hormônio. Os efeitos dos BR na maturação de frutos também incluem o aumento na concentração de compostos promotores da saúde humana, a exemplo dos antioxidantes antocianinas e vitamina C, além da indução da partenocarpia, processo de formação de frutos sem

sementes (ver Capítulo 19).

Os BR aumentam a resistência tanto a estresses bióticos, como o ataque de fungos, bactérias e vírus, quanto abióticos, como deficiência hídrica, salinidade, toxicidade de metais pesados e, particularmente, extremos de temperatura. Recentemente, tem-se mostrado que os BR contribuem para a desintoxicação de plantas tratadas com pesticidas por meio da produção de peróxido de hidrogênio (H2O2), que estimula a expressão de genes associados aos mecanismos de defesa e capacidade antioxidante, como também pelo aumento da atividade de enzimas envolvidas com a redução de radicais livres, conhecidos como espécies reativas de oxigênio, cuja presença pode resultar em danos em estruturas celulares, como mutações.

À vista de seu efeito estimulatório sobre o crescimento e o desenvolvimento reprodutivo, é compreensível que mutantes portadores de deficiências para a síntese ou percepção de BR apresentem fenótipos bastante alterados, como o nanismo, causados por alterações sensíveis nos

processos de divisão e/ou alongamento celular (Figura 14.3), não raro acompanhados também de macho-esterilidade, fenômeno provocado pelo desenvolvimento anormal do tapetum, pela redução na quantidade de grãos de pólen e por defeito na liberação destes após a deiscência.

Figura 14.3 Fenótipo de um mutante duplo recessivo do tomate Microtom (curl3/curl3) para BR, responsável pela codificação de receptor de BR –, cuja insensibilidade resulta em nanismo, folhas retorcidas (curly) e baixa fertilidade. Imagem cedidas pelo Dr. Lázaro E. P. Peres.

 

Importância econômica

Diversas têm sido as possibilidades de aplicação dos BR na agricultura. Todavia, o custo ainda elevado de sua produção vem dificultando, sobremaneira, uma maior abrangência de sua utilização comercial. Apesar disso, o aumento na disponibilidade de formulações comerciais de BR com preços acessíveis, produzidas nos últimos anos no Japão, na Rússia, na Bielorrússia, na China e na Índia, tem elevado a possibilidade do uso comercial desses esteroides. Assim, BR têm sido usados com sucesso para elevar, significativamente, o rendimento de uma ampla variedade de lavouras de grande importância econômica, como trigo, arroz, milho, algodão, tomate e cana-de-açúcar. Esse aumento no rendimento está associado à estimulação do crescimento vegetativo, ao aumento na tolerância a extremos de temperatura e a seca, além de aumento na resistência contra doenças. O uso mais amplo de BR na agricultura deverá contribuir efetivamente para o aumento na disponibilidade de alimentos e, consequentemente, para a redução da fome, o que é de interesse especialmente para os países subdesenvolvidos e em desenvolvimento.

Vale mencionar que, diferentemente dos demais fitormônios, esses esteroides vegetais também apresentam potencial de utilização na área médica, em razão de sua atividade anticancerígena, antiviral e anti-inflamatória.

 

Jasmonatos

Os jasmonatos (JA), que incluem o ácido jasmônico e seus derivados, são hormônios vegetais derivados de lipídios encontrados em todas as plantas terrícolas. O metiljasmonato foi inicialmente identificado a partir do óleo de plantas de jasmim (Jasminum sp.), o que resultou no nome pelo qual o composto é conhecido. O odor característico das flores de jasmim provém, principalmente, do metiljasmonato, que funciona como atrativo para polinizadores. Os JA são encontrados em todos os órgãos vegetais com plastídios. Esses compostos são importantes para o controle dos mecanismos de defesa das plantas contra o ataque de insetos e infecções por fungos e bactérias. Em plantas sofrendo herbivoria ou infecções, os JA alteram os padrões de expressão genética de maneira a retardar o crescimento e redirecionar o metabolismo para a produção de compostos de defesa e para a reparação de lesões. Os JA também conferem tolerância aos estresses abióticos, como ozônio, radiação ultravioleta, altas temperaturas, deficiência hídrica, salinidade, lesões mecânicas e congelamento, além de regularem diversos processos de desenvolvimento, incluindo o alongamento do sistema radicular, a germinação de sementes, o desenvolvimento de estames e tricomas, o florescimento, a acumulação de antocianinas e a senescência das folhas. Nos últimos 10 anos, houve um aumento considerável no conhecimento a respeito desses hormônios vegetais, especialmente no que diz respeito ao mecanismo de ação e transporte.

 

Via biossintética

Os JA são sintetizados a partir do ácido alfalinolênico, liberado a partir de galactolipídios das membranas dos cloroplastos. Conforme mostrado na

Figura 14.4, nos plastídios o ácido linolênico é sequencialmente convertido em ácido (13S)-hidroperoxioctadecatrienoico, ácido 12,13(S)-epoxioctadecatrienoico e ácido (9S,13S)-12-oxo-fitodienoico (OPDA) por meio das ações da 13-lipo-oxigenase, da aleno óxido sintase e da aleno

óxido ciclase, respectivamente (ver Figura 14.3). OPDA é transportado para os peroxissomos, onde é reduzido a ácido 3-oxo-2-(cis-2’-pentenil)-ciclopentano-1-octanoico (OPC-8:0) pela OPDA redutase. OPC-8:0 é então ativado a OPC-8:0 CoA pela OPC-8:0 CoA ligase, e subsequentemente encurtado a ácido jasmônico por meio de três reações de betaoxidação catalisadas pela acil-CoA oxidase, proteína multifuncional e 3-cetoacil-CoA tiolase. O ácido jasmônico é então exportado para o citoplasma, onde é conjugado com isoleucina para formar o (+)-7-iso-JA-Ile bioativo, que pode ser inativado, ao formar 12-hidroxi-JA-Ile, ou metabolizado a outras formas inativas via metilação, glicosilação ou sulfatação.

No momento, são conhecidas 12 vias metabólicas que convertem o ácido jasmônico em compostos ativos e inativos; algumas dessas reações envolvidas originam compostos que atuam em reações específicas de respostas a estresse e ao desenvolvimento.

 

Mecanismos de ação

Tendo em vista que os efeitos dos JA podem ser desencadeados por diferentes tipos de estresses (mecânicos e biológicos), seus mecanismos de ação são relativamente complexos. Não por outra razão, embora seus efeitos nas plantas sejam conhecidos há décadas, somente nos últimos 10 anos foram descobertos certos detalhes fundamentais sobre o funcionamento desse grupo de moléculas. Entre eles, por exemplo, o de que o ácido jasmônico não se liga ao receptor para dar início ao seu mecanismo de ação, mas ao aminoácido conjugado (+)-7-isojasmonoil-L-isoleucina (JA-Ile) ou derivados estruturalmente semelhantes a JA-Ile. Assim, não foi surpresa a descoberta de que a JA-Ile seja o jasmonato fisiologicamente mais ativo, e que a sua síntese, por meio da enzima JA-Ile sintetase, represente o passo crucial para a percepção dos JA.

Figura 14.4 Diagrama da via de biossíntese do ácido jasmônico, incluindo estruturas químicas e enzimas envolvidas.

 

Plantas submetidas a estresses respondem rapidamente aos JA em questão de minutos, por meio da síntese de JA-Ile, e eventualmente por

derivados estruturalmente semelhantes (Figura 14.5). Esses JA estimulam diretamente a ligação entre proteínas do tipo JAZ (jasmonate zim-domain) e os receptores COI1 (coronatine insensitive 1), resultando na formação de correceptores que se localizam no núcleo. As proteínas JAZ são repressores de transcrição que, com a topless – um correpressor que se liga a proteínas JAZ direta ou indiretamente, por meio de uma proteína adaptadora conhecida como NINJA (novel interactor de JAZ) –, bloqueiam a atividade de outros fatores de transcrição como MYC (myelocytomatosis). A formação do complexo JAZ-COI1 leva à ubiquitinização das proteínas JAZ (modificação da proteína por meio de cadeias de ubiquitina), que é seguida pela degradação de JAZ pelos proteossomos. A degradação de JAZ leva à desrepressão de fatores de transcrição, que, por sua vez, é seguida pela reprogramação de transcrição genética. No caso de lesão mecânica e ataque de patógenos, a reprogramação de transcrição genética se dá por meio de duas ramificações de ativadores de transcrição. Em uma das ramificações, a planta responde à lesão mecânica ou ao ataque de herbívoros induzindo a produção de proteínas de defesa como as VSP (vegetative storage protein), via fatores de transcrição MYC. Na outra ramificação, em plantas sob ataque de patógenos necrotróficos, o jasmonato age sinergisticamente com o etileno, induzindo a produção de proteínas de defesa, como a PDF1.2 (plant defensin 1.2), via família de fatores de transcrição AP2/ERF (apetala2/ERF).

Além das duas ramificações de ativadores de transcrição mencionadas, a ligação de JA-Ile a COI1 possibilita a interação de JAZ com outros fatores de transcrição, o que permite aos JA desempenhar papéis múltiplos na regulação e na integração de diversos eventos de desenvolvimento vegetal, além das respostas das plantas a mudanças no ambiente físico. Estima-se que várias centenas ou alguns milhares de genes têm sua expressão modificada em plantas que sofreram lesão mecânica, sendo esta modificação, em mais da metade desses genes, atribuída à atuação de JA. Em plantas não submetidas a estresse, que geralmente apresentam níveis quase indetectáveis de JA-Ile, as proteínas JAZ reprimem as respostas aos JA.

 

Efeitos no crescimento e no desenvolvimento O desenvolvimento de estames é essencial para a fertilidade das plantas. Mutantes de plantas como Arabidopsis defeituosos na biossíntese de JA, ou que superexpressam genes associados ao catabolismo de JA, ou, ainda, mutantes defeituosos no mecanismo de ação de JA são macho-estéreis em razão do bloqueio do desenvolvimento do estame durante a antese. Esses mutantes apresentam filamentos curtos, anteras indeiscentes e grãos de pólen inviáveis. Aplicações de JA em mutantes defectivos na síntese dessas substâncias foram capazes de restaurar o desenvolvimento normal dos estames, embora, compreensivelmente, não tenham tido qualquer efeito nos mutantes deficientes no mecanismo de percepção de JA.

Os tricomas presentes na epiderme de caules e folhas protegem as plantas contra herbivoria, agindo como sensores ou barreiras, liberando compostos voláteis. Em plantas de Arabidopsis lesadas mecanicamente, os mecanismos de biossíntese ou de ação de JA são prejudicados, levando a um bloqueio na formação de tricomas foliares e caulinares.

A formação do gancho caulinar em plântulas estioladas crescidas no escuro protege o ápice tenro do atrito direto e danoso causado por partículas do solo. A inibição da formação do gancho caulinar pelo JA pode significar a sua presença em baixos níveis nessas plantas.

JA estimulam o alongamento de fibras de algodão, o material mais importante para a indústria têxtil. O fator de transcrição GbTCP estimula a biossíntese de JA e ativa a expressão de genes requeridos para o alongamento de fibras e para o controle da qualidade destas.

 

Figura 14.5 Diagrama simplificado do mecanismo de ação dos jasmonatos.

 

JA ativam H+-ATPases, além de induzirem o efluxo de H+ e Cl–, o influxo de Ca2+ e a ativação de canais de extrusão de K+, resultando na perda de turgor das células-guarda, com o consequente fechamento dos estômatos.

Em interações do tipo planta-patógeno, os JA desempenham papel importante nos mecanismos de infecção. Por exemplo, a bactéria patogênica Pseudomonas syringae produz um mímico do jasmonato JA-Ile. Esse mímico, conhecido como coronatina, ativa, de maneira muito eficiente, o mecanismo de ação dos JA, reprimindo a acumulação de ácido salicílico e comprometendo o sistema imunológico da planta. Trabalhos científicos publicados recentemente demonstraram que a estratégia empregada pela P. syringae não é restrita àquela espécie de bactéria, uma vez que diversos patógenos se mostraram capazes de produzir análogos de JA como estratégia para suprimir o sistema de defesa dos hospedeiros.

A aplicação de JA inibe a expressão de genes envolvidos com a fotossíntese e com a inibição da expressão das proteínas correspondentes, resultando, ao final, na diminuição da capacidade desse processo. Já o tratamento pós-coleta de diversos frutos, como manga, abacaxi e pêssego, com jasmonato resulta em atenuação de lesão por resfriamento, o que tem sido associado ao aumento da relação entre ácidos graxos insaturados/saturados. Aplicações de JA também inibem vários processos envolvidos no crescimento de plântulas, incluindo o alongamento de raízes primárias e do hipocótilo, embora estimulem o alongamento de raízes laterais. Já com relação a raízes adventícias, os JA inibem a formação destas em Arabidopsis, embora estimulem a formação desse tipo de raízes em estacas de petúnia, indicando que os JA regulam de maneira diferenciada a rizogênese em diferentes espécies. JA exógenos também inibem a expansão de cotilédones por meio da inibição da atividade da ciclina CycB1;2, levando à inibição das divisões celulares, sem afetar o volume celular. Todavia, inibição da expansão celular induzida por JA contribui para a obtenção de bonsais, plantas arbóreas com tamanhos reduzidos, geralmente alcançados por meio de podas da parte aérea e radicular ou de toques repetitivos. Em plantas de Arabidopsis, a aplicação de JA inibe o alongamento do coleóptilo e reduz a altura final de plantas como de arroz, além de estimular a senescência, inibir o florescimento e retardar o efeito inibitório promovido na germinação de sementes por ácido abscísico.

 

Transporte O gene JAT1 codifica para uma proteína da superfamília transportadora ABC, já conhecida no transporte de auxinas, citocininas, ácido abscísico e estrigolactona, cujo papel foi recentemente demonstrado também para os JA. Essa proteína funciona como um exportador de dupla função, ou seja, exportando JA do citosol para o apoplasto, como também do citosol para o interior do núcleo, neste caso o (+)-7-isojasmonoil-L-isoleucina (JA-Ile), a forma que inicia o mecanismo de ação dos JA.

 

Importância econômica

Os jasmonatos, com os micronutrientes, são utilizados em produtos comerciais destinados a aumentar a tolerância ao calor e à seca, estimular o florescimento e a formação de frutos, além de incrementar a absorção de nutrientes em plantas cultivadas.

 

Ácido salicílico

Trata-se de um composto fenólico de pequeno tamanho molecular, que desempenha importantes funções no sistema de defesa das plantas ao ataque de uma grande variedade de patógenos, e nos mecanismos de respostas das plantas aos estresses ambientais. A designação ácido salicílico (AS) tem origem no nome científico do salgueiro branco, Salix alba, no qual o composto foi identificado. No caso específico das respostas das plantas contra patógenos, o AS está envolvido em múltiplos processos, incluindo mecanismos de defesa geneticamente controlados e resistência sistêmica adquirida (RSA). Além de seus papéis bem conhecidos como molécula reguladora de respostas de plantas em mecanismos de defesa, o AS desempenha papéis fundamentais em diversos processos fisiológicos, como o alongamento caulinar e a abertura dos estômatos.

 

Via biossintética A produção do AS se inicia com uma molécula conhecida como corismato, por meio de duas vias metabólicas distintas, a via do isocorismato (IC) e a

via da fenilalanina amônia-liase (FAL) (Figura 14.6). A via FAL utiliza fenilalanina como substrato, mas a sua contribuição para a síntese de AS é relativamente pequena, cerca de 5% do total produzido; a maior parte, cerca de 95%, oriunda da via IC, é responsável pela produção de cerca de 95% do total de AS produzido pelas plantas. Na via FAL, essa enzima converte a fenilalanina em ácido trans-cinâmico, o qual, por meio dos intermediários ácido orto-cumárico ou ácido benzoico, origina o AS. Na via IC, o corismato é convertido em isocorismato, que, por sua vez, é convertido em AS.

 

Modo de ação

A proteína NPR1 (non-expressor of pathogenesis-related genes 1) é o receptor para o AS. Em plantas não submetidas a estresse – portanto, não produzindo quantidades significativas de AS –, o domínio terminal C de transativação da NPR1 é reprimido pelo domínio terminal N BTB/POZ (broad complex, tram track, bric-a-brac/POX virus and zinc finger), o que

mantém NPR1 em estado inativo (rosa, na Figura 14.7). Dois modelos alternativos para o mecanismo de percepção de AS surgiram recentemente. No primeiro, dois homólogos de NPR1 localizados no núcleo, NPR3 e NPR4, percebem AS e regulam a acumulação da proteína NPR1. NPR3 e NPR4 marcam NPR1 para degradação via sistema ubiquitina, respectivamente, sob alta e baixa concentração de AS. Quando a concentração de AS é intermediária, há acumulação de NPR1, o que resulta na reprogramação de transcrição controlada por AS. A síntese de AS em concentrações intermediárias, que se segue à infecção por patógenos, resulta na estabilização de NPR1, o que leva à acumulação da proteína em grandes quantidades nas proximidades do local de infecção na folha. No segundo modelo, NPR1 percebe AS via cisteína 521/529, por meio do metal cobre de transição, o que induz uma alteração conformacional em NPR1. Essa alteração conformacional resulta na desrepressão do domínio de

transativação e ativação de NPR1 (verde, na Figura 14.7). A ativação de NPR1 ativa a transcrição regulada pelo AS.

 

Figura 14.6 Diagrama representativo da via de biossíntese do ácido salicílico (AS). Enzimas: CM, corismato mutase; ICS, isocorismato sintase; IPL, isocorismato piruvato liase; PAL, fenilalanina amônia-liase; AAO, aldeído oxidase; BA2H, ácido benzoico hidroxilase.

 

Importância do ácido salicílico para as plantas O sistema de defesa das plantas pode ser neutralizado por muitos patógenos causadores de doenças, levando-as a uma maior suscetibilidade ao ataque destes. Fungos e bactérias liberam proteínas nas células hospedeiras que afetam o metabolismo, o mecanismo de ação do AS, como também as interações entre o AS e os JA. Além dessas proteínas, os patógenos podem liberar substâncias que mimetizam compostos produzidos pela planta hospedeira de maneira a interferir nos sistemas de defesa da planta. Por exemplo, como mencionado anteriormente para o ácido jasmônico, a coronatina, uma substância produzida por Pseudomonas syringae, é capaz de ativar a biossíntese de JA e assim suprimir a acumulação e o mecanismo de ação do AS, levando a um incremento na virulência do patógeno. Todavia, enquanto patógenos podem usar compostos químicos para anular o sistema de defesa das plantas para o seu próprio benefício, as plantas hospedeiras também podem reconhecer esses compostos e posteriormente ativar respostas de defesa mais fortes para combater os invasores. Essas respostas incluem uma acumulação mais rápida de AS, o que leva ao aumento da resistência a doenças. Aplicações de AS afetam não somente a resistência ao estresse biótico (associado a patógeno), mas também a tolerância a diversos tipos de estresses abióticos, como seca, resfriamento, calor, metais pesados, radiação ultravioleta, salinidade e estresse osmótico.

O AS atua em eventos importantes e diversificados do desenvolvimento das plantas. Tratamentos com AS mostraram-se efetivos na estimulação do alongamento caulinar e do florescimento, bem como no retardamento da senescência e do fechamento estomático. A aplicação de AS, em altas concentrações (1 a 5 mM), resulta na redução da taxa de fotossíntese, na atividade de rubisco e no conteúdo de clorofila. Já a aplicação de AS em concentrações baixas (10 μM) leva ao aumento na taxa de fotossíntese, na eficiência de carboxilação e no conteúdo de clorofila.

Figura 14.7 Diagrama representativo da percepção de AS. A. Em plantas não submetidas a estresse – portanto, não produzindo quantidades significativas de AS –, o domínio terminal C de transativação do receptor NPR1 é reprimido pelo domínio terminal N BTB/POZ, o que mantém NPR1 em estado inativo (rosa). NPR1 percebe AS via cisteína 521/529, por meio do metal cobre de transição, o que induz uma alteração conformacional em NPR1, a qual resulta na desrepressão do domínio de transativação e na ativação de NPR1 (verde). B. Dois homólogos de NPR1 localizados no núcleo, NPR3 e NPR4, percebem AS e regulam a acumulação da proteína NPR1. NPR3 e NPR4 marcam NPR1 para degradação via sistema ubiquitina, respectivamente, sob alta e baixa concentração de AS. Quando a concentração de AS é intermediária, há acumulação de NPR1, o que resulta na reprogramação de transcrição mediada por AS.

 

Diversas plantas, como canola e cevada, quando tratadas com AS e posteriormente submetidas a baixas temperaturas, apresentaram, em relação às plantas-controle, maior atividade de enzimas antioxidantes como superóxido dismutase e peroxidase. Esse aumento na atividade de enzimas antioxidantes indica que o tratamento com AS antes da exposição da planta a baixa temperatura pode ter atenuado os efeitos nocivos de espécies de oxigênio reativas (ROS), geradas durante a exposição das plantas a baixas temperaturas.

 

Importância econômica

O emprego de pesticidas sintéticos tem possibilitado aumentos consideráveis no rendimento e na qualidade das coletas. Todavia, esses compostos geralmente apresentam elevada toxicidade, e seu uso pode excessivo resultar no aumento da resistência do patógeno ao pesticida. Na agricultura, alternativamente, tratamentos de plantas com concentrações elevadas de compostos sintéticos funcionalmente semelhantes ao AS, como o ácido 2,6-dicloroisonicotínico, e de substâncias que estimulam o funcionamento do AS, como o probenazola, contribuem para o melhoramento do sistema de defesa das plantas, tornando-as mais eficientes contra o ataque de um patógeno. Outra aplicação de importância econômica do AS é o tratamento de flores de corte com o ácido, o que resulta em prolongamento significativo no tempo de vida dessas. Tal efeito está relacionado com:

1. Inibição da síntese do etileno, por meio da inibição da atividade das

duas enzimas-chave na biossíntese deste, a sintase do ácido 1-

carboxílico-1-aminociclopropano e a oxidase do mesmo ácido (ver

Capítulo 13).

2. Aumento da estabilidade das membranas celulares. 3. Elevação da atividade das enzimas catalase e superóxido dismutase, que

se constituem em um dos sistemas mais eficientes de proteção das

células contra espécies reativas de oxigênio (ROS), como H O , geradas 2 2

em grandes quantidades durante a senescência das flores. 4. Redução na peroxidação de lipídios.

Poliaminas

As poliaminas são moléculas orgânicas policatiônicas de baixa massa molecular com dois ou mais grupamentos amina. Essas moléculas estão presentes em todos os organismos vivos, desempenhando papel importante na estabilidade de ácidos nucleicos e membranas, na regulação do alongamento, no desenvolvimento e em respostas a estímulos bióticos e abióticos, de acordo com o número e a posição dos grupamentos amina. Essa classe de compostos, encontrada em todos os compartimentos das células vegetais, inclui putrescina, espermidina, espermina, outras aminas, além de vários derivados. Putrescina, espermidina e espermina são as poliaminas mais comuns nas plantas vasculares, podendo ser encontradas sob a forma livre, conjugada solúvel e conjugada insolúvel, principalmente em tecidos com crescimento intenso ou sob condições de estresses. Além dessas poliaminas mais comuns, termoespermina, um isômero da espermina, tem ampla distribuição no reino vegetal. Putrescina e espermidina são essenciais durante a formação dos embriões, visto que mutantes genéticos defeituosos para as suas biossínteses não produzem embriões viáveis, enquanto espermina e termoespermina estão associadas à regulação de respostas ao estresse e ao desenvolvimento, respectivamente.

Embora as poliaminas, como os hormônios vegetais, desempenhem funções regulatórias sobre o crescimento e o desenvolvimento vegetal, esses compostos são encontrados nos órgãos vegetais em concentrações muito superiores àquelas de hormônios vegetais. Esse aspecto, além do fato de as poliaminas serem fisiologicamente ativas somente em concentrações elevadas e apresentarem mecanismo de ação diferente dos hormônios vegetais, descaracteriza esses compostos como hormônios vegetais típicos, sendo as poliaminas consideradas por alguns pesquisadores mensageiros hormonais secundários.

 

Via biossintética Putrescina, a poliamina mais simples, é sintetizada diretamente a partir da descarboxilação do aminoácido ornitina pela enzima ornitina descarboxilase ou indiretamente, como acontece nas plantas, por várias etapas que envolvem a descarboxilação do aminoácido arginina, pela enzima arginina

descarboxilase (Figura 14.8). As poliaminas mais complexas espermidina e espermina são sintetizadas a partir da putrescina, por meio da adição sequencial de grupamentos aminopropil originados a partir de S-adenosilmetionina descarboxilada, inicialmente para espermidina e em seguida para espermina, em reações catalizadas, respectivamente, pelas enzimas espermidina sintase e espermina sintase. S-adenosilmetionina descarboxilada é produzida pela S-adenosilmetionina descarboxilase, enzima-chave na biossíntese de espermidina e espermina, a partir da S-adenosilmetionina. A S-adenosilmetionina descarboxilase também regula a produção de etileno por seu efeito sobre a disponibilidade de S-adenosilmetionina, precursor do ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico

(ACC), que, por sua vez, é o precursor imediato do etileno (ver Capítulo

13). Essa interação mostra a inter-relação entre o metabolismo das poliaminas e do etileno.

 

Modo de ação

As poliaminas desempenham um papel ambíguo nas plantas, seja atuando como sequestrador de radicais livres no núcleo, seja como fonte de radicais livres no apoplasto. Todavia, além do seu papel direto como antioxidante, as poliaminas agem como moléculas de sinalização. Por sua natureza catiônica, elas podem se ligar a sítios negativamente carregados de moléculas, como ácidos nucleicos, proteínas e lipídios, causando tanto a estabilização quanto a desestabilização do DNA, do RNA, da cromatina e de proteínas. Essas interações explicam os efeitos das poliaminas na regulação de processos como divisão, expansão e diferenciação celular, na estabilização de membranas e sinalização celular, na morte celular programada, além do papel dessas moléculas na regulação da atividade de

enzimas e na síntese e função de ácidos nucleicos e proteínas (Figura 14.9).

O modo de funcionamento das poliaminas é, certamente, diferente daquele dos hormônios vegetais. No caso destes, o sistema ubiquitina-proteossomo, que regula quase todos os eventos de crescimento e desenvolvimento, degrada proteínas repressoras das vias de sinalização dos hormônios (como as proteínas DELLA, repressoras da via de sinalização das giberelinas), possibilitando a resposta fisiológica característica do hormônio. Já no caso das poliaminas, o sistema ubiquitina-proteossomo, em vez de atuar como um sistema de desrepressão, regula os níveis de poliamina na célula, por meio da degradação de proteínas como a espermidina/espermina acetiltransferase, envolvida no catabolismo de poliaminas.

 

Figura 14.8 Diagrama mostrando as estruturas químicas (A) e a via de biossíntese de poliaminas em plantas (B). Enzimas: ARGAH, arginase; ACD, arginina descarboxilase; AIH, agmatina deiminase; NPL1, N-carbamoilputrescina hidrolase; OCD, ornitina descarboxilase; SPDS1, sintase de espermidina; SPMS, sintase de espermina.

Figura 14.9 Diagrama simplificado do modelo para o funcionamento de poliaminas (PA) associado à resistência contra o estresse salino. Em situação de alta salinidade, o sequestro de Na + para o vacúolo é crítico para o estabelecimento da tolerância à salinidade. Esse processo requer aumento na atividade de contratransporte Na+ + /H de

proteínas de contratransporte de cátion-H+ + (NHX) e diminuição no vazamento de Na por

meio dos canais de cátions lentos (SV) e rápidos (FV) não específicos. As PA bloqueiam FV e reprimem fortemente SV. A superexpressão de trocadores de cátion vacuolar-H + (CAX) também é causada pela inibição da síntese de espermina. Então, PA e cálcio vacuolar podem agir como reguladores alternativos dos canais de cátion vacuolar. O funcionamento contínuo de canais seletivos para K+ (VK), pouco sensíveis a PA, aumenta a extrusão de H+ + , que estimula a absorção ativa de Na, contribuindo para a recuperação da perda de potássio induzida pelo estresse salino. Este estimula a expressão de canais antiporte cátion-H +, que podem reduzir a atividade de FV e SV pelo aumento do cálcio do citosol.

No caso do sistema de defesa contra patógenos, a espermina desempenha papel de mediador na sinalização de defesa. Essa via de sinalização de espermina envolve a acumulação de espermina no apoplasto, a estimulação da expressão de subgrupos específicos de genes associados ao mecanismo de defesa, como os genes que codificam para proteínas de defesa contra patógenos e proteínas do tipo cinase controladoras de mitose, além de um tipo específico de morte celular programada, conhecido como resposta hipersensitiva. Essa resposta hipersensitiva é disparada por H2O2 produzido em função da atividade da poliamina oxidase, localizada no apoplasto.

A presença de poliaminas em associação ao fotossistema II, mais especificamente ao complexo coletor de luz, é importante tanto para o estabelecimento da estrutura quanto para o funcionamento adequado do aparelho fotossintético durante a fotoadaptação e a fotoproteção contra o ultravioleta-B e ozônio.

 

Importância siológica

As poliaminas desempenham funções regulatórias em vários processos de desenvolvimento, como quebra de dormência e senescência, embriogênese, formação de raízes, amadurecimento de frutos, estabilização de membranas, sinalização celular, multiplicação celular, regulação de expressão gênica, morte celular programada, estruturação das paredes celulares dos grãos de pólen, além de serem essenciais para o desenvolvimento de ovários e de frutos em plantas como tabaco e tomate. As termoesperminas são fundamentais para o desenvolvimento vascular e a formação de células de xilema, eventos críticos para o alongamento, além de serem importantes para a prevenção de amadurecimento precoce e morte de elementos de vaso do xilema. Como visto anteriormente, as poliaminas também regulam respostas de plantas a estresses abióticos como seca, salinidade, toxicidade de metais pesados, estresse oxidativo, lesão por resfriamento, alta temperatura, estresse osmótico, ozônio, radiação ultravioleta e alagamento.

 

Importância econômica potencial

Em escala global, estimativas de perdas de cerca de 120 bilhões de dólares na agricultura são atribuídas a causas abióticas, sendo uma das mais significativas o estresse hídrico causado tanto pelo excesso quanto pela falta de água. Assim, o desenvolvimento de lavouras mais resistentes aos estresses abióticos, por meio, por exemplo, de estratégias biotecnológicas, se constituiria em uma forma eficiente de contornar o problema das perdas causadas por esse tipo de estresse. De fato, o reconhecimento da importância das poliaminas na regulação de diversos processos fisiológicos levou diversos pesquisadores a manipularem as vias metabólicas e de sinalização de poliaminas, o que resultou em aplicações práticas como a aceleração do crescimento e o aumento da tolerância de plantas a estresses ambientais. Todavia, as aplicações práticas já obtidas para poliaminas ainda estão longe de atingir o potencial previsto para o uso dessas moléculas, a exemplo da maior tolerância de plantas contra estresses associados a mudanças climáticas, da produção de plantas com maior capacidade de produção de alimentos, principalmente em áreas de produção localizadas fora das áreas tradicionalmente ocupadas pela agricultura, do aumento da longevidade, da redução no conteúdo de lignina em árvores, o que seria de grande interesse para a indústria de papel e celulose, além do aumento da produção de biomassa com características desejáveis para a produção de biocombustíveis.

 

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