Os cientistas da UC Davis desenvolveram plantas de trigo que promovem a sua própria produção de fertilizantes, um desenvolvimento que poderia reduzir a poluição global do ar e da água e reduzir os gastos agrícolas.
O trabalho vem de uma equipe de pesquisa liderada por Eduardo Blumwald, Distinto Professor do Departamento de Ciências Vegetais. Usando a ferramenta de edição genética CRISPR, a equipe aumentou a produção de um produto químico natural na planta. Quando as raízes do trigo liberam esse composto extra no solo circundante, ajuda bactérias específicas a converter o nitrogênio do ar em uma forma que as plantas próximas possam absorver. Este processo é chamado de fixação de nitrogênio.
O estudo foi publicado em Jornal de Biotecnologia Vegetal.
Potenciais benefícios para a segurança alimentar
Para muitas regiões em desenvolvimento, este avanço poderá proporcionar um novo apoio para uma produção agrícola fiável.
“Em África, as pessoas não usam fertilizantes químicos porque não têm dinheiro e as explorações agrícolas são pequenas, não mais do que seis a oito acres”, disse Blumwald. “Imagine que você está cultivando culturas que estimulam as bactérias no solo a produzir naturalmente o fertilizante que suas culturas precisam. Uau! Que grande diferença!”
Esta inovação no trigo baseia-se no sucesso anterior do grupo com o arroz, e está em curso um trabalho semelhante para estender a tecnologia a outras culturas cerealíferas importantes.
O problema global dos fertilizantes
O trigo é o segundo cereal mais produtivo do mundo e utiliza a maior quantidade de fertilizante nitrogenado, respondendo por aproximadamente 18% do total global. De acordo com a Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura, a produção global de fertilizantes ultrapassou 800 milhões de toneladas em 2020.
As plantas normalmente absorvem apenas 30% a 50% do fertilizante nitrogenado aplicado. O restante muitas vezes flui para rios e áreas costeiras, criando “zonas mortas” carentes de oxigênio que prejudicam os ecossistemas aquáticos. O excesso de nitrogênio no solo produz óxido nitroso, um potente gás de efeito estufa.
Por que o trigo precisa de uma estratégia diferente
As bactérias fixadoras de nitrogênio produzem uma enzima chamada nitrogenase, que às vezes é chamada de “fixadora de nitrogênio” porque fixa o nitrogênio. A enzima funciona apenas dentro dessas bactérias e apenas em ambientes com baixo teor de oxigênio.
Leguminosas como feijões e ervilhas formam naturalmente nódulos nas raízes, uma estrutura especializada que cria as condições de deficiência de oxigênio que essas bactérias exigem.
O trigo e a maioria das outras culturas não possuem esses nódulos radiculares, razão pela qual os fertilizantes nitrogenados sintéticos são amplamente utilizados.
“Durante décadas, os cientistas têm tentado desenvolver culturas de cereais que produzam nódulos radiculares activos, ou tentar colonizar culturas de cereais com bactérias fixadoras de azoto, sem muito sucesso. Adoptámos uma abordagem diferente”, disse Blumwald. “Dizemos que a localização das bactérias fixadoras de nitrogênio não importa, desde que o nitrogênio fixado possa chegar à planta, a planta pode utilizá-lo”.
Como uma equipe da UC Davis encontrou uma solução viável
Os pesquisadores examinaram 2.800 produtos químicos produzidos naturalmente pelas plantas e identificaram 20 que promovem a formação de biofilme por bactérias fixadoras de nitrogênio. Esses biofilmes são revestimentos pegajosos que envolvem as bactérias, criando um microambiente com baixo teor de oxigênio adequado para a atividade da nitrogenase. A equipe então mapeou como as plantas sintetizam esses compostos e identificou os genes envolvidos.
Munidos dessas informações, eles usaram o CRISPR para ajustar as plantas de trigo para produzir grandes quantidades de um composto, especificamente um flavonóide chamado apigenina. Como as plantas produzem mais apigenina do que necessitam, o excesso é liberado no solo. Em experiências, esta apigenina estimulou as bactérias do solo a formarem biofilmes protetores, permitindo que a enzima nitrogenase fixasse o nitrogénio numa forma utilizável que o trigo pudesse absorver.
O trigo melhorado também produziu rendimentos mais elevados em comparação com as plantas de controlo sob condições de fertilizantes com muito baixo teor de azoto.
Os agricultores obtêm enormes benefícios económicos
O Departamento de Agricultura dos EUA estima que os agricultores dos EUA gastarão quase 36 mil milhões de dólares em fertilizantes em 2023. Blumwald destacou que cerca de 500 milhões de acres de terra no país são cultivados com cereais.
“Imagine se você pudesse economizar 10% do fertilizante usado nesta terra”, ele refletiu. “Meu cálculo conservador é: deveria economizar mais de US$ 1 bilhão por ano.”
Outros autores incluem Hiromi Tajima, Akhilesh Yadav, Javier Hidalgo Castellos, Dawei Yan, Benjamin P. Brookbank e Eiji Nambara.
A Universidade da Califórnia apresentou um pedido de patente, que está atualmente em análise. O financiamento para este trabalho foi fornecido pela Bayer CropScience e pelo UC Davis Will Lester Endowment Fund.
