Explorando o impacto das características das plantas na eficiência do uso de nitrogênio no milho

Um novo estudo revela como um modelo computacional pode replicar com precisão os efeitos da fertilização com nitrogênio no milho, fornecendo insights que podem informar futuras estratégias de melhoramento que melhoram a eficiência do uso do nitrogênio.

O nitrogênio é essencial para crescimento e desenvolvimento das plantas e é um componente chave das enzimas envolvidas em fotossíntese. Está diretamente correlacionado com o rendimento das colheitas e o teor de proteína nos grãos.

Geralmente, uma fertilização maior com nitrogênio resulta em maiores rendimentos de colheitas. No entanto, a aplicação excessiva de nitrogênio pode levar à lixiviação em sistemas de água, causando eutrofização e florações de algas prejudiciais, bem como aumentando as emissões de gases de efeito estufa. O alto uso de fertilizantes também leva ao aumento de custos para os produtores.

Portanto, a eficiência com que as plantas usam o nitrogênio é particularmente importante.

A eficiência do uso do nitrogênio é determinada por dois fatores principais: a quantidade de nitrogênio que uma planta pode absorver do solo (absorção) e quão efetivamente a planta utiliza esse nitrogênio para crescimento e produtividade (eficiência do uso fisiológico). Arquitetura, anatomia, fisiologia, genética e condições ambientais da planta desempenham papéis significativos em eficiência de uso de nitrogênio sugerindo que mudanças nessas áreas poderiam melhorá-lo. No entanto, nossa compreensão das contribuições relativas dessas características para a eficiência é atualmente limitada. Obter uma melhor compreensão é essencial para identificar quais características focar em programas de melhoramento visando melhorar a eficiência do uso de nitrogênio.

Jie Lu, pesquisador de pós-doutorado na Universidade e Pesquisa de Wageningen, e colegas publicaram recentemente um artigo em in silico Plants detalhando sua abordagem para quantificar as contribuições de características arquitetônicas e fisiológicas para a eficiência do uso de nitrogênio. Em seu estudo, eles utilizaram um modelo de planta funcional-estrutural para simular os efeitos da fertilização com nitrogênio no milho com características variadas.

Modelos funcionais-estruturais de plantas são ferramentas computacionais avançadas usadas para simular a arquitetura e a fisiologia de uma planta, permitindo que pesquisadores visualizem e prevejam como as plantas se desenvolvem sob várias condições. Ao ajustar diferentes fatores no modelo, os cientistas podem explorar cenários que podem ser difíceis ou impossíveis de testar na vida real, como condições climáticas extremas ou mudanças em características específicas. Isso os ajuda a entender como as plantas respondem às mudanças, levando a estratégias mais eficazes para melhorar o crescimento e a eficiência.

Os autores expandiram uma modelo de planta funcional-estrutural existente incluindo processos de plantas e solo relacionados à absorção de nitrogênio e eficiência fisiológica.

Depois de confirmar que o novo modelo previu com precisão mudanças nas variáveis ​​de interesse (absorção de nitrogênio, rendimento e eficiência fisiológica) em diferentes cultivares e condições ambientais, comparando suas previsões com valores medidos, os pesquisadores o usaram para identificar as características fisiológicas e arquitetônicas que afetam essas variáveis.

Eles conseguiram isso ajustando os valores de quatorze características, uma de cada vez, e executando simulações para ver quais características tiveram o maior impacto nas variáveis ​​de interesse sob condições de fertilização com alto e baixo nitrogênio. As características que eles examinaram incluíram transporte de nitrogênio da raiz, diâmetro da raiz, número de raízes, densidade do tecido, número de folhas e fotossíntese.

As simulações indicaram que os efeitos que diferentes características tiveram sobre as variáveis ​​de interesse foram variáveis ​​e complexos. Por exemplo, características arquitetônicas da raiz, como diâmetro e número da raiz, tiveram uma influência maior na absorção de nitrogênio do que características fisiológicas como a capacidade da raiz de absorver nitrogênio, particularmente sob condições de baixo nitrogênio. Mudanças no número de folhas não tiveram impacto na absorção de nitrogênio, rendimento ou eficiência fisiológica. O filocrono, que é o tempo entre o aparecimento das folhas, aumentou a absorção de nitrogênio e a eficiência fisiológica. Não teve efeito no rendimento sob baixo nitrogênio ou em nenhuma das variáveis ​​sob alto nitrogênio. Da mesma forma, a fotossíntese não afetou a absorção de nitrogênio, rendimento ou eficiência fisiológica.

Este modelo é o primeiro passo para identificar as características que seriam mais eficazes para a reprodução para melhorar a eficiência do uso de nitrogênio. No entanto, mais trabalho é necessário para entender melhor como as características interagem, o que pode ser bastante complexo. Por exemplo, aumentar a absorção de nitrogênio aumenta a fotossíntese, o que, por sua vez, aumenta o acúmulo de biomassa. Este aumento na biomassa cria um sumidouro de nitrogênio maior, pois mais nitrogênio é armazenado nos tecidos da planta, levando, em última análise, a novos aumentos na absorção de nitrogênio. Você pode aprender mais lendo Mecanismos de origem e sumidouro do transporte e uso de nitrogênio por Tegeder e Masclaux-Daubresse.

Felizmente, essas questões podem ser abordadas em versões futuras do modelo e com dados experimentais adicionais, avançando ainda mais os esforços para desenvolver milho com melhor eficiência no uso de nitrogênio.

LEIA O ARTIGO:

Jie Lu, Tjeerd Jan Stomph, Guohua Mi, Lixing Yuan, Jochem Evers, Identificação e quantificação da contribuição das características da planta de milho para a absorção e uso de nitrogênio por meio de modelagem de plantas, in silico Plants, Volume 6, Edição 2, 2024, diae018, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae018

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Este modelo está disponível gratuitamente em https://git.wur.nl/lu068/cn-maize.