Poros microscópicos na superfície das folhas, chamados estômatos, ajudam as plantas a "respirar" controlando a quantidade de água que perdem devido à evaporação. Esses poros estomáticos também permitem e controlam a ingestão de dióxido de carbono para fotossíntese e crescimento.

Já no século XIX, os cientistas sabiam que as plantas aumentam a abertura dos poros estomáticos para transpirar, ou "suar", enviando vapor de água através dos estômatos para se resfriar. Hoje, com as temperaturas globais e as ondas de calor aumentando, a ampliação dos poros estomáticos é considerada um mecanismo-chave que pode minimizar os danos causados pelo calor às plantas.

Mas por mais de um século, os biólogos de plantas não tiveram uma explicação completa dos mecanismos genéticos e moleculares por trás do aumento dos processos de "respiração" e transpiração estomática em resposta a temperaturas elevadas.

O aluno de doutorado da Escola de Ciências Biológicas da Universidade da Califórnia em San Diego, Nattiwong Pankasem, e o professor Julian Schroeder construíram uma imagem detalhada desses mecanismos. Suas descobertas, publicadas no periódico New Phytologist , identificam dois caminhos que as plantas usam para lidar com o aumento das temperaturas.

Por décadas, cientistas lutaram para encontrar um método claro para decifrar os mecanismos subjacentes às aberturas estomáticas mediadas pelo aumento da temperatura devido aos intrincados processos de medição necessários. A dificuldade está enraizada na mecânica complexa envolvida na configuração da umidade do ar (também conhecida como diferença de pressão de vapor, ou VPD) para valores constantes enquanto a temperatura aumenta, e na dificuldade de separar as respostas de temperatura e umidade.

Pankasem ajudou a resolver esse problema ao desenvolver uma nova abordagem para fixar o VPD das folhas em valores fixos sob temperaturas crescentes. Ele então desvendou os mecanismos genéticos de uma série de respostas de temperatura estomática, incluindo fatores como sensores de luz azul, hormônios da seca, sensores de dióxido de carbono e proteínas sensíveis à temperatura.

Importante para esta pesquisa foi um analisador de troca gasosa de nova geração que permite controle aprimorado do VPD (fixando o VPD a valores fixos). Os pesquisadores agora podem conduzir experimentos que elucidam os efeitos da temperatura na abertura estomática sem a necessidade de remover folhas de plantas vivas inteiras.

Os resultados revelaram que a resposta de aquecimento estomático é ditada por um mecanismo encontrado em todas as linhagens de plantas. Neste estudo, Pankasem investigou os mecanismos genéticos de duas espécies de plantas, Arabidopsis thaliana, uma espécie de erva daninha bem estudada, e Brachypodium distachyon, uma planta com flores que está relacionada a grandes culturas de grãos, como trigo, milho e arroz, representando um modelo oportuno para essas culturas.

Os pesquisadores descobriram que os sensores de dióxido de carbono são um ator central nas respostas de aquecimento-resfriamento estomático. Os sensores de dióxido de carbono detectam quando as folhas passam por um aquecimento rápido. Isso inicia um aumento na fotossíntese nas folhas aquecidas, o que resulta em uma redução no dióxido de carbono. Isso então inicia a abertura dos poros estomáticos, permitindo que as plantas se beneficiem do aumento na ingestão de dióxido de carbono.

Curiosamente, o estudo também encontrou uma segunda via de resposta ao calor. Sob calor extremo, a fotossíntese nas plantas é estressada e declina, e a resposta ao calor estomática foi descoberta ignorando o sistema sensor de dióxido de carbono e desconectando-se das respostas normais conduzidas pela fotossíntese. Em vez disso, os estômatos empregam uma segunda via de resposta ao calor, não muito diferente de entrar por uma porta dos fundos de uma casa, para "suar" como um mecanismo de resfriamento.

"O impacto do segundo mecanismo, no qual as plantas abrem seus estômatos sem obter benefícios da fotossíntese, resultaria em uma redução na eficiência do uso de água das plantas cultivadas", disse Pankasem. "Com base em nosso estudo, as plantas provavelmente demandarão mais água por unidade de CO 2 absorvida. Isso pode ter implicações diretas no planejamento de irrigação para a produção de culturas e efeitos em larga escala do aumento da transpiração de plantas em ecossistemas no ciclo hidrológico em resposta ao aquecimento global."

"Este trabalho mostra a importância da pesquisa fundamental, movida pela curiosidade, para ajudar a abordar desafios sociais, construir resiliência em áreas-chave como agricultura e, potencialmente, avançar a bioeconomia", disse Richard Cyr, diretor de programa na US National Science Foundation Directorate for Biological Sciences. "Uma melhor compreensão das complexidades moleculares que controlam a base da função estomática em temperaturas mais altas pode levar a estratégias para limitar a quantidade de água necessária para a agricultura em face dos aumentos globais de temperatura ."

Com os novos detalhes em mãos, Pankasem e Schroeder agora estão trabalhando para entender os mecanismos moleculares e genéticos por trás do sistema de resposta ao calor secundário.

Os coautores do estudo são: Nattiwong Pankasem, Po-Kai Hsu, Bryn Lopez, Peter Franks e Julian Schroeder.