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Planta de tabaco com fotossíntese mais eficiente cresce 40% mais

Otimização do processo de fotorrespiração permite economia de energia nas células vegetais e aumento de produtividade

Claire Benjamin/RIPE Project

Quatro plantas não modificadas (à esquerda) crescem ao lado de quatro plantas (à direita) projetadas com vias alternativas para contornar a fotorrespiração - um processo caro em energia que custa potencial de rendimento. As plantas modificadas são capazes de reinvestir sua energia e recursos para aumentar a produtividade em 40%.

As plantas convertem a luz do Sol em energia por meio da fotossíntese; todavia, a maior parte das plantações do planeta sofre com uma "falha" na  fotossíntese e, para lidar com ela, desenvolveram um processo energeticamente custoso chamado fotorrespiração, que inibe drasticamente seu potencial de rendimento. Pesquisadores da Universidade de Illinois e do Serviço de Pesquisa Agrícola do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos relataram, na revista Science, que os cultivares projetados com um atalho para a fotorrespiração se mostraram 40% mais produtivos, em condições agronômicas do mundo real.

 

“Poderíamos alimentar até 200 milhões de pessoas com as calorias desperdiçadas por fotorrespiração no Meio-Oeste dos Estados Unidos anualmente”, disse o chefe da pesquisa, Donald Ort, professor de Ciências Vegetais e de Plantas no Instituto Carl R.Woese para Biologia Genômica, em Illinois. “Recuperar pelo menos uma parte dessas calorias em todo o mundo mundo seria um grande avanço para atender às crescentes demandas alimentares do século 21 - impulsionadas pelo aumento populacional e pelas dietas mais ricas em calorias.”

 

Esse importante estudo faz parte do Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), uma pesquisa internacional que busca projetar cultivares que sejam mais eficientes na fotossíntese, para aumentar de forma sustentável a produção mundial de alimentos. A iniciativa tem o apoio da Fundação Bill & Melinda Gates e do Departamento de Governo do Reino Unido para Desenvolvimento Internacional.

 

A fotossíntese utiliza a enzima Rubisco - a proteína mais abundante no planeta - e energia solar para transformar dióxido de carbono e água em açúcares que permitem o crescimento e o desenvolvimento das plantas. Ao longo dos milênios, a Rubisco tornou-se vítima de seu próprio sucesso, criando uma atmosfera rica em oxigênio. Incapaz de distinguir as duas moléculas, a Rubisco captura oxigênio ao invés de dióxido de carbono cerca de 20% do tempo, o que resulta em um composto tóxico para plantas que precisa ser reciclado através do processo de fotorrespiração.

 

“A fotorrespiração é a antifotossíntese,” disse o autor Paul South, pesquisador de biologia molecular do Serviço de Pesquisa Agrícola, que trabalha no projeto RIPE, em Illinois. “Custa à planta energia preciosa e recursos que poderiam ser investidos em fotossíntese para produzir mais crescimento e rendimento.”

 

A fotorrespiração normalmente segue rotas complicadas que cruzam três compartimentos na célula vegetal. Os cientistas projetaram caminhos alternativos para redirecionar o processo, reduzindo drasticamente o percurso e poupando recursos suficientes para impulsionar o crescimento das plantas em 40%. Essa é a primeira vez que uma correção de fotorrespiração foi projetada e testada em condições agronômicas reais.

 

“Assim como o Canal do Panamá foi uma façanha de engenharia que aumentou a eficiência do comércio, os atalhos fotorrespiratórios são uma façanha de engenharia que possibilita aumentar significativamente a eficiência da fotossíntese,” disse o diretor da RIPE, Stephen Long, da cátedra Ikenberry de Ciências Agrárias e Biologia Vegetal em Illinois.

 

A equipe projetou três rotas alternativas para substituir o caminho natural do circuito. Para otimizar os novos caminhos, eles criaram construções genéticas utilizando diferentes conjuntos de promotores e genes, essencialmente formando um grupo de único de percursos. Eles os testaram em 1,7 mil plantas para selecionar os melhores.

 

Após dois anos de estudos de campo replicados, a equipe descobriu que as plantas modificadas desenvolveram-se mais rapidamente, ficaram mais altas e produziram 40% mais biomassa, sendo que a maior parte dela foi encontrada em caules 50% maiores.

 

Eles testaram suas hipóteses no tabaco, uma planta modelo ideal para pesquisa de safras porque é de mais fácil modificação e teste do que culturas alimentares. Mas, ao contrário de modelos de plantas alternativos, o tabaco desenvolve um dossel e pode ser testado no campo. Agora, o time está traduzindo essas descobertas para aumentar o rendimento de soja, feijão-caupi, arroz, batata, tomate e berinjela.

 

“A Rubisco tem ainda mais dificuldade em distinguir dióxido de carbono do oxigênio à medida que fica mais quente, gerando mais fotorrespiração”, afirmou a co-autora Amanda Cavangh, pesquisadora pós-doutora que trabalha no projeto RIPE. “Nosso objetivo é construir plantas melhores, que possam aguentar o calor de hoje e que, no futuro, possam equipar agricultores com a tecnologia necessária para alimentar o mundo.”

 

Embora seja necessário mais de uma década para que essa tecnologia seja implantada em cultivos e obtenha aprovação e regulamentação, a RIPE e seus patrocinadores estão comprometidos em garantir que os pequenos fazendeiros, especialmente na África Subsaariana e no Sudeste Asiático, tenham acesso livre e isento de royalties a todos os avanços das pesquisas.

 

CARL R. WOESE INSTITUTE FOR GENOMIC BIOLOGY, UNIVERSITY OF ILLINOIS AT URBANA-CHAMPAIG

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