Arabidopsis thaliana

Arabidopsis thaliana é uma planta com flor, de pequenas dimensões, nativa da Europa e Ásia.^[1][2][3][4] É uma planta herbácea da família das Brassicaceae, a que também pertence a mostarda. É um dos organismos modelo para o estudo de genética, em botânica, tendo um papel semelhante ao da drosófila, noutros tipos de pesquisa genética. Foi a primeira planta cujo genoma foi completamente sequenciado.

Arabidopsis thaliana
Classificação científica
Reino: Plantae Divisão: Magnoliophyta Classe: Magnoliopsida Ordem: Brassicales Família: Brassicaceae Género: Arabidopsis Espécie: A. thaliana
Nome binomial
Arabidopsis thaliana
Distribuição geográfica

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Organismo modelo é uma nomenclatura utilizada para qualquer tipo de organismo que é amplamente estudado com a finalidade de compreender fenômenos bioquímicos particulares, um exemplo de organismo modelo são as drosófilas nos estudos de genética. Para que isso seja possível, é necessário que tal organismo apresente características favoráveis ao estudo e manuseio em laboratório.

^{[5] [6]}No caso da Arabidopsis thaliana, essas características são principalmente:

• Pequeno porte, podendo ser cultivada em placas de petri;
• Rápida reprodução, otimizando o seu tempo de estudo;
• Vasta produção de sementes, reduzindo seu custo de manejo;
• Curto genoma, possibilitando que sua compreensão e manipulação sejam mais rápidas.

O genoma da Arabidopsis consiste de cinco cromossomas. A sequência final foi publicada em 2000. Com 125 milhões de pares de bases, o seu genoma é relativamente pequeno, se comparado com o das outras espécies vegetais, o que facilita o seu estudo. Entretanto, ainda que muitos dos seus 26 000 genes continuem sem função conhecida, muito se tem feito e descoberto sobre o papel de cada um na fisiologia da espécie, com implicações no conhecimento da genética vegetal no seu todo.

Cientistas da Universidade de Purdue, estudando Arabidopsis, descobriram aquilo que já foi considerado "um caminho paralelo à hereditariedade", ou seja, uma alternativa aos mecanismos conhecidos de reparação do DNA. A partir do estudo de mutações num gene designado por HOTHEAD, cujas consequências eram deformações nos caules e flores, os pesquisadores chegaram à conclusão que as plantas têm "gravadas" versões antigas do seu código genético, pelo menos até à quarta geração antecedente, de forma que qualquer anomalia pode ser corrigida usando este tipo de backup. Existe a hipótese de este "registo" basear-se em RNA.

Arabidopsis Thaliana é considerado um ótimo modelo genético na comunidade científica, por abordar estudos nas áreas de genética, biologia molecular, e genômica. Por se tratar de um material versátil de se trabalhar, ela possibilita a compreensão de mecanismos biológicos para a análise de processos universais de outros organismos eucariotos (ex. crescimento, desenvolvimento etc).

A A. thaliana é uma planta que pode ser facilmente cultivada em ambientes laboratoriais, sendo uma planta bem adaptável ao ambiente, podendo ser cultivada em placas de petri, estufas, luz uv e etc. O que também facilita nos estudos e pesquisas que a usam como amostra, ela também gera uma quantidade abundante de sementes e um se desenvolve de forma rápida (aprox. 6 semanas).

Em suas características, a Arabidopsis apresenta mais de 20.000 genes distribuídos em 5 cromossomos e aproximadamente 135 mb de material genético, a Arabidopsis thaliana obtém um grande sucesso no estudo do sequenciamento, e análise de forma mais detalhada de seus genes, pois, dispõe de um genoma relativamente pequeno e compacto, facilitando para pesquisadores destas áreas, estudos mais aprofundados sobre a organização e a função desse gene, além de responder de forma positiva a técnicas mutagênicas implementadas em sua cadeia de DNA. Esta planta por seu modelo genético, tem potencial para ser usada na agricultura, pois é possível pegar genes desta planta e inserir em outras plantas, para possíveis mutações que sejam favoráveis para a agricultura

Desde os primórdios do século XX, onde se iniciaram os primeiros estudos da espécie, a pesquisa sobre a Arabidopsis thaliana tomou proporções muito significativas na comunidade científica a ponto de, atualmente, possuir o status da planta com flor mais estudada nas últimas décadas (em 2008, por exemplo, foram acrescentados ao banco de dados da PubMed, mais de 3500 artigos sobre ela).

Suas características como o curto tempo de geração, um tamanho pequeno e a alta produção prolífica de sementes por autopolinização, foram os aspectos preliminares que fizeram com os pesquisadores a adotassem como o principal organismo modelo para a biologia vegetal. Além disso, o papel crescente da genética na integração de disciplinas (Pruitt et al., 2003) somado às importantes ferramentas da biologia molecular disponíveis, levaram os cientistas biólogos ao consenso da necessidade de concentrar os estudos num único organismo - a fim de alcançar análises mais profundas - o que fortaleceu o avanço das pesquisas sobre a A. thaliana. Neste tópico, discorreremos sobre a história dos estudos dessa planta, enfatizando os aspectos mais importantes que permitiram a produção de conhecimento científico em múltiplas áreas da biologia, sobretudo na genética.

Em 1907, Friedrich Laibach inicia a pesquisa experimental da Arabidopsis Thaliana em seu doutorado e faz a descrição do número de cromossomos da planta. Mais tarde, em 1930, agora sendo um botânico bem estabelecido, ele retorna a estudar a espécie e, junto com seus alunos, levantam pontos importantes para a pesquisa da planta:

• Laibach apresenta um caso claro para adequação da espécie para estudos genéticos num artigo seminal em 1943.
• Em 1951, usam a variação natural para analisar características morfológicas como o tempo de floração (Laibach, 1951) e a dormência das sementes (Kugler, 1951).
• Iniciam experimentos com raios-x e uma de suas alunas, Erna Reinholz, faz o isolamento dos primeiros mutantes induzidos de A. thaliana.

Durante a década de 1950, o interesse sobre a tal espécie continuou aumentando significativamente. Em 1956, Georde Re’dei, se muda da Hungria para os Estados Unidos e se torna o principal proponente da pesquisa sobre a Arabidopsis, até que, junto a pesquisadores de outros países, formam uma comunidade de pesquisa ativa. Essa iniciativa foi liderada por Gerhard Röbbele, outro cientista relevante na história da pesquisa da A. Thaliana, responsável pela publicação do boletim informativo Arabidopsis Information Service (AIS) a partir de 1964 e pela garantia da manutenção de um importante centro de estoque de sementes da planta, além de ter organizado a primeira conferência internacional sobre ela em 1965, na Alemanha.

No início da próxima década (1970), houve uma descontinuidade na ascensão dos estudos sobre a Arabidopsis thaliana já que muitos dos pesquisadores citados anteriormente se afastaram da respectiva área de estudo. Além disso, provavelmente devido às baixas taxas de sucesso no crescimento em cultura (aspecto que ganhava pertinência para o futuro da biologia vegetal), o pequeno tamanho dos cromossomos (visto, erroneamente, por alguns da época como desvantagem para análises citogenéticas), uma publicidade negativa sobre sua complementação de mutantes deficientes em tiamina (inferência de um conjunto de experimentos controversos de Ledoux et al., 1974) e alguns outros pontos desfavoráveis, a pesquisa da espécie perdeu adeptos e, durante a década de 1970, houveram muito menos publicações sobre ela e muito menos participantes na segunda conferência internacional de Arabidopsis, em 1976.

No fim da década de 70, a pesquisa em genética molecular necessitava de um modelo adequado para os estudos e foi aí que a A. thaliana voltou a ser notada. O ressurgimento do interesse na planta se deu a partir da exploração de seu potencial genético para caracterizar processos específicos de plantas, mas, mais fundamentalmente, à revisão valiosa de Re’dei sobre a espécie como organismo genético. A partir daí, vários jovens pesquisadores foram atraídos para o campo e construíram novos e/ou mais profundos conhecimentos sobre o potencial da planta, desencadeando importantes eventos para sua comunidade de pesquisa durante a década de 1980. Dentre os fatores responsáveis pela verdadeira ascensão dos estudos sobre a espécie, um dos mais nítidos foi a percepção de que o pequeno tamanho do genoma da planta (Leutwiler et al., 1984) era uma vantagem distinta na era da genética molecular (Meyerowitz e Pruitt, 1985). Em 1986, Chang e Meyerowitz fizeram a clonagem do primeiro gene de Arabidopsis, isso, somado à presença de vários trabalhos sobre a planta em conferências científicas, ao apoio financeiro dos Estados Unidos e aos avanços nos métodos de transformação de plantas, trouxe mais olhares à espécie, que ainda além, aproveitava o exemplo positivo de outros organismos modelos para reforçar a ideia de que a genética em combinação com a biologia molecular expressava grande poder para abordar questões biológicas (Meyerowitz, 1987). Finalmente, em 1989, uma descrição de Chris Somerville sobre a dimensão dos estudos da Arabidopsis foi o ponto chave para levar a planta à era moderna e entregar o grande valor científico que lhe pertencia, tanto quanto outros organismos modelos que estavam sendo usados.

Ainda nesse espaço de tempo, o desenvolvimento de métodos de transformação de plantas foi um grande passo para a pesquisa da Arabidopsis thaliana. A partir do momento em que procedimentos de transformação por meio da cultura de tecidos (Lloyd et al., 1986; Valvekens et al., 1988 ) - métodos esses que tinham seu sucesso interrompido devido à dependência do genótipo parental, que tornava a Arabidopsis pouco responsiva nos experimentos laboratoriais - foram substituídos por métodos que não necessitavam dela e sim do crescimento contínuo de Agrobacterium dentro da planta (Feldmann e Marks, 1987), os aprimoramentos desses novos processos (Bechtold et al., 1993; Clough e bent, 1998) levaram à identificação de uma ampla gama de mutantes de inserção passíveis de isolamento de genes. Portanto, neste momento, se torna possível - e em altos índices - a geração de transformantes de Arabidopsis, o que permite a expressão (e até superexpressão) de genes de interesse específicos e o estabelecimento de linhas de inserção para genética reversa, além de possibilitar a localização e quantificação de padrões de expressão e desenvolvimento de linhas com expressão localizadas em tecidos específicos (Halseloff e Amos, 1995) e em estruturas subcelulares (Cutler et al., 2000) por meio da introdução de genes repórteres nas plantas. A seguir, a grande virtude dessa abordagem ainda é reforçada por Bimbaum e outros, em 2003, na combinação com a classificação de células. Todo esse avanço com as ferramentas genéticas da época, forneceram à A. thaliana maior destaque e utilidade como organismo experimental, fazendo com que Somerville e Koornneef (2002) concluíssem que a planta de fato possuía propriedades para servir como um ótimo organismo modelo.

A A. thaliana também teve influência nos estudos de variação genética, visto que um dos motivos de Laibach ter trabalhado pela primeira vez com a planta (1943), foi a sua variação em características fisiológicas entre seus acessos naturais. Esse alto nível de variação genética entre os acessos de Arabidopsis pode ser deduzido por comparações diretas de sequências (Nordborg et al., 2005; Clark et al., 2007). Trabalhos como os de Keurentjes et al., 2007 e Kliebenstein, 2009 mostram que pode ser detectada variação genética na expressão de 20% dos genes da planta, isso somente em um estágio de desenvolvimento. Semelhantemente, a homozigosidade em alto nível que essa espécie possui em seus acessos, juntamente com sua grande quantidade de marcadores moleculares, tornam essa planta um organismo adequado para o uso do mapeamento de associação genômica ampla (GWA) - de acordo com Nordborg e Weigel, 2008 - que possibilita explorar a variação em uma coleção de genótipos, aumentando as chances de identificar polimorfismos causais (Myles et al., 2009), resultados que seriam inalcançáveis somente com um mapeamento biparental. Também foi identificado, por meio de ferramentas genômicas, que eventos de especiação de Arabidopsis podem estar associados a essa variação genética, de acordo com o trabalho de Bikard et al., 2009.

Por fim, é notório que estudos da biologia vegetal resultaram em avanços significativos para a biologia em diversas áreas, indo muito além de estudar uma simples erva daninha e alcançando até aplicações para a saúde humana (Jones et al., 2008). Para exemplificar, no centro de pesquisa da Arabidopsis thaliana permaneceram variantes genéticas e métodos aprimorados em biologia celular e molecular durante todo esse tempo; técnicas computacionais como modelagem em diferentes níveis se tornaram importantes nas últimas décadas (Prusinkiewicz e Rolland-lagan, 2006); muitas empresas privadas com interesse em aplicações práticas do conhecimento vegetal, principalmente sobre descobertas de genes, começaram a apreciar essa planta (Gutterson e Zhang, 2004; Century et al., 2008); entre outros eventos importantes. Dessa forma, a pesquisa especial da Arabidopsis thaliana como organismo modelo bem estabelecido permeia um brilhante caminho que causou, causa e ainda pode causar muito mais efeitos transformadores na biologia moderna, a fim de contribuir com o bem maior de toda pesquisa: a ciência!

A espécie tem sido usada de forma recorrente em estudos relacionados com a base genética do fototropismo, comportamento dos cloroplastos, entre outros processos influenciados pela luz. Foram feitas descobertas, por exemplo, em relação a repostas fototrópicas positivas das células das raízes à luz vermelha, vermelha extrema e infra-vermelha.

Enquanto que a resposta gravitrópica das raízes da Arabidopsis predomina entre os efeitos trópicos nestes órgãos, algumas espécies, tratadas com mutagéneos e depois selecionadas pela sua ausência de ação gravitrópica mostraram resposta fototrópica negativa tanto à luz azul como à luz branca, mas apresentou resposta positiva à luz vermelha. Os pigmentos fotosensitivos fitocromo A e fitocromo B são os mediadores desta resposta.