Avanços da genética aumentam a sustentabilidade da agricultura

Por Décio Luiz Gazzoni, Engenheiro Agrônomo, pesquisador da Embrapa e membro do Conselho Científico Agro Sustentável (CCAS)

Há milhares de anos os seres humanos vêm domesticando e modificando plantas e animais, para atender as necessidades humanas. Agora os cientistas contam com ferramentas avançadas para apressar a obtenção de resultados.

           A primeira boa notícia veio para a cultura do sorgo. Uma simples modificação genética possibilita triplicar o número de grãos do sorgo, uma planta tolerante à seca que é uma importante fonte de alimentos, ração animal e biocombustível, em muitas partes do mundo. A descoberta dos cientistas Doreen Ware e Zhanguo Xin foi publicada na revista Nature (bitly.ws/thfh).

           O estudo utilizou genótipos de sorgo de alto rendimento, submetidos à mutação induzida por uma substância química. Algumas das plantas modificadas apresentaram ganho de rendimento. Na foto, a imagem da esquerda mostra uma variedade convencional de sorgo. Observa-se uma espiga terminal com várias espiguetas sésseis (redondas) contendo grãos em seu interior, e algumas espiguetas pediceladas (setas brancas), representadas por compartimentos oblongos estreitos que não contêm grãos. Na variante modificada (direita) todas as espiguetas são sésseis e contêm grãos.

À esquerda, destaque para as espiguetas vazias, ao contrário da direita, onde todas as espiguetas contêm grãos.

Crédito: ©Nick Gladman/Ware lab, 2018/Cold Spring Harbor Laboratory

Como muitas culturas de cereais, os grãos de sorgo são produzidos em cachos de flores que se desenvolvem a partir de uma estrutura ramificada, existente no topo da planta, chamada panícula. Cada panícula pode produzir centenas de flores. Existem dois tipos de flores, e geralmente apenas uma delas, conhecida como espigueta séssil, é fértil. O outro tipo de flor, chamado espigueta pedicelada, não produz sementes. No entanto, nas plantas modificadas obtidas por mutagênese, tanto, espiguetas sésseis quanto pediceladas produziram sementes, aumentando o número de grãos de cada planta.

Os cientistas queriam entender a razão para o aumento da produtividade. Para tanto, efetuaram o sequenciamento completo dos genomas das plantas de sorgo, convencionais e modificadas. Foi aí que descobriram que a mutação afetou um gene que regula a produção de hormônios. As plantas que carregam a mutação produzem níveis anormalmente baixos de um hormônio regulador do desenvolvimento – chamado ácido jasmônico – particularmente durante o desenvolvimento da flor.

De posse dessa informação, os cientistas estudaram o efeito do ácido jasmônico, descobrindo que ele impede que as espiguetas pediceladas produzam sementes. Simples assim: com teor normal de ácido jasmônico, há uma redução no número de flores férteis, produzindo menos grãos. Com redução de 50% no teor de ácido jasmônico, a planta produz grãos em cada uma das flores. Então é só modular a expressão do gene responsável pela produção de ácido jasmônico, durante o florescimento, para aumentar a produtividade do sorgo.

Agora que a equipe descobriu as mudanças biológicas que aumentam a produção de grãos de sorgo, eles esperam aplicar a mesma estratégia para incrementar a produtividade de grãos em arroz, soja, milho e trigo. O conhecimento ajudará a orientar tanto o melhoramento clássico, quanto abordagens que aproveitam as tecnologias de edição de genoma.

E, finalmente, a azeitona da empada: algumas das plantas derivadas de mutantes, com alta produtividade, também demonstraram aumento de 14-24% no teor de proteína do grão, o que melhora em muito a qualidade nutricional do sorgo (bitly.ws/thmw).

Melhorando o pão nosso de cada dia

Pesquisadores liderados pelo Dr. Jiao Yuling do Instituto de Genética e Biologia da Academia Chinesa de Ciências, juntamente com colaboradores da Universidade de Pequim, descobriram que a edição genética de um fator de transcrição (AP2/ERF – DUO1) melhora em, no mínimo 10%, o rendimento de trigo. Os resultados foram publicados na Nature Plants (bitly.ws/thnL).

O trigo é uma espécie endogâmica, com baixa diversidade genética e restrições evolutivas próprias. A espiga de trigo é composta de vários nós axiais, com uma espigueta na base de cada nó. A produtividade depende do número de grãos da espiga. Que, por sua vez, está correlacionado com o número de espiguetas. Portanto, a análise de genes-chave que afetam o número de espiguetas é de grande importância para melhorar a produtividade de grãos de trigo.

Os pesquisadores usaram linhas mutantes de espiguetas de Brachypodium distachyon como meio de investigar genes que regulam o número de espiguetas no trigo. Essa espécie da família Poaceae, um primo distante do trigo, é muito usada como modelo para estudo de cereais (bitly.ws/thoj). No estudo, foi identificado um mutante de inserção de T-DNA denominado bdduo1, que é responsável por gerar um número maior de espiguetas por espiga.

De posse da informação, os pesquisadores editaram o gene do trigo usando a tecnologia CRISPR/Cas9 (bitly.ws/thoE). Assim foram obtidas plantas que, na parte média inferior das espigas, exibiam 2-3 espiguetas em cada nó da raque. Imagens de microscópio revelaram mais e maiores células nos primórdios de espiguetas basais do trigo mutante em comparação com o tipo selvagem, sugerindo que o gene regula a divisão celular. Como resultado, os genótipos de trigo mutante, obtidos por edição gênica, apresentavam mais grãos por espiga em comparação com os convencionais, aumentando em mais de 10% o rendimento por unidade de área.

Avanços no arroz

Um grupo de cientistas liderados pelo Dr. Shaobo Wei (Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Sciences) realizou uma análise comparativa de transcriptomas e metabolomas de folhas de milho e arroz (bitly.ws/thpC). O estudo revelou um conjunto de 118 fatores de transcrição que podem atuar como reguladores da fotossíntese de plantas, tanto do tipo C₃ quanto C₄, as quais, naturalmente, são mais eficientes do ponto de vista fotossintético do que as C₃.

Dos 118 fatores, a equipe selecionou 13 genes que eram ativados quando as plantas de arroz foram cultivadas em solo pobre em nitrogênio. Desses, cinco propiciaram a que a planta absorvesse até 300% mais nitrogênio. Contudo, o principal mérito do grupo foi identificar um fator de transcrição que regula a fotossíntese em arroz. Trata-se de um membro da família DREB (Dehydration Responsive Element Binding), denominado OsDREB1C. A importância da descoberta é que esse fator tem sua expressão induzida por alta intensidade luminosa e baixo teor de nitrogênio.

Os cientistas demonstraram que o fator OsDREB1C atua em diversos processos de transcrição que determinam a capacidade fotossintética, a utilização de nitrogênio e do carbono, e o início e a duração do florescimento de uma planta e de seu ciclo. O gene exibe propriedades esperadas de um regulador que pode modular, simultaneamente, a fotossíntese e a utilização de nitrogênio, especialmente em condições de baixo teor desse elemento.

Para verificar o que ocorreria no campo, os cientistas inseriram uma cópia extra do gene OsDREB1C, em uma variedade de arroz chamada Nipponbare. Para usar como comparador, também eliminaram o gene em outras plantas de arroz da mesma variedade. No campo, as plantas sem o gene cresceram menos do que as plantas de controle, enquanto aquelas com cópias extras de OsDREB1C cresceram mais rápido e tinham raízes mais longas.

E o mais importante: os rendimentos do arroz com cópia extra do gene foram 41 a 68% maiores que na sua ausência. Os testes foram realizados durante três anos, em três locais, com climas variando de temperado a tropical. O aumento da produtividade se deveu ao maior número de grãos por panícula, peso de grãos mais elevado e índice de colheita aprimorado.

Além disso, a duração do ciclo da semeadura à colheita foi mais curta, houve melhora na eficiência do uso de nitrogênio e de outros recursos. As plantas superexpressando o gene OsDREB1C-OE floresceram de 13 a 19 dias antes e acumularam maior biomassa no estágio de enchimento de grãos. Nos estudos preliminares com trigo, utilizando a mesma técnica, os aumentos de produtividade variaram de 17 a 22%.

Ciência e desenvolvimento

A História Universal, e de qualquer país individualmente, mostra que não há segredo para uma sociedade se desenvolver e enriquecer: são requeridos investimentos polpudos e continuados em Educação e Ciência. É o que está ocorrendo, justamente agora, com China e Coréia do Sul que, em menos de 50 anos de investimento nessas áreas, saíram da pobreza estrutural para disputarem o protagonismo global em desenvolvimento social e econômico.

Os estudos com sorgo foram financiados com recursos da iniciativa privada (Programa de Check off de Sorgo nos EUA (bitly.ws/thpY) e da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia do Sul (nrf.re.kr/eng/main/). Os estudos com trigo e arroz foram financiados com recursos da Academia Chinesa de Ciências (bitly.ws/thqp). As descobertas permitirão retornos de milhares de vezes o valor investido.

Fica o mote para o Brasil galgar degraus em desenvolvimento social e econômico: investir em Educação, Ciência e Tecnologia, como fazem os países que almejam um futuro melhor para seus cidadãos. Cientistas tão bons e bem formados quanto os estrangeiros, o Brasil dispõe. Falta apenas e tão somente dar-lhes condições de expressarem seu potencial de inovação, em benefício do nosso país.