Tantas como 828 milhões pessoas foram afetadas pela fome em 2021, e o número continua a crescer. Mas não podemos mais nos dar ao luxo de aumentar a produção de alimentos por meio de expansão agrícola. Precisamos cultivar mais alimentos na terra que já está na agricultura, aumentando o rendimento. Com rendimentos estagnados desde a revolução verde, novos desenvolvimentos via bioengenharia fornecem um meio para enfrentar o desafio.

Um estudo recente da Dra. Amanda DeSouza e colegas aumentou o rendimento da soja em até 33%. A soja é a maior fonte mundial de proteína animal e a segunda maior fonte de óleo vegetal. Embora tenha havido numerosos sucessos na bioengenharia da soja para aumentar o rendimento da soja na última década, nenhum demonstrou esses aumentos nas condições naturais do campo.

Por que a soja de alto rendimento produzida pela bioengenharia não foi testada em campo antes?

Pesquisadores têm usado a bioengenharia para melhorar a produção de soja para mais 30 anos. Nesse período, grande parte do progresso foi em conferir resistência a herbicidas, embora a qualidade da semente, resistência a pragas, tolerância ao sal e à seca e características agronômicas também sejam alvos. A maioria dessas plantas foi testada em experimentos de estufa com plantas cultivadas em vasos individuais.

Estudos de plantas de bioengenharia são realizados na estufa por vários motivos. As estufas são de fácil acesso, permitem que experimentos repetidos sejam realizados ao longo do ano e permitem que os pesquisadores controlem as condições ambientais. Por outro lado, os experimentos de campo fornecem estações de cultivo limitadas, têm pouco ou nenhum controle sobre as variáveis ​​abióticas e bióticas e são demorados e caros de gerenciar. Para experimentos envolvendo plantas de bioengenharia, os pesquisadores devem obter autorização governamental que limite e controle a liberação.

No entanto, é difícil extrapolar os resultados dos testes de laboratório e estufa para resultados no campo onde as plantas crescem juntas para formar um dossel e experimentam estresses bióticos e abióticos e clima extremo, que afetam o desempenho e o rendimento da planta. No entanto, esta é uma etapa importante porque a soja é cultivada exclusivamente ao ar livre.

As condições naturais do campo forneceram o ambiente de luz exato necessário para testar sua soja bioengenharia

A luz experimentada pelas plantas no campo é muito dinâmica. Quando a intensidade da luz é muito alta ou aumenta muito rápido para que a fotoquímica use a luz absorvida, a fotoproteção é ativada para protegê-los de danos, permitindo que as folhas dissipem o excesso de energia. No entanto, quando as folhas estão sombreadas (por outras folhas, nuvens ou pelo sol que se move no céu) essa fotoproteção precisa ser desligada para que as folhas possam continuar o processo de fotossíntese com uma reserva de luz solar. Leva vários minutos para a planta desligar o mecanismo de proteção, custando às plantas um tempo valioso que poderia ter sido usado para a fotossíntese.

Os autores do estudo visaram três genes que codificam proteínas do ciclo da xantofila, que é um ciclo do pigmento que ajuda na fotoproteção das plantas. Ao superexpressar os três genes na soja usando a construção VPZ, os autores conseguiram acelerar a recuperação da fotoproteção. Quando testada em campo, a aceleração deu às folhas minutos extras de fotossíntese que, somados ao longo de toda a estação de crescimento, aumentaram a taxa fotossintética total. Isso se traduziu em um aumento no rendimento de até 33%, praticamente sem alteração no teor de proteína e óleo.

Esta descoberta levou mais de uma década para ser feita.

Em 2004, o co-autor Steve Long liderou um estudo usando simulações de modelos que mostraram que um atraso na recuperação da fotoproteção em um dossel multicamadas reduziu a fotossíntese em até 30%.

Em 2011, o co-autor Kris Niyogi teorizou como a capacidade de fotoproteção de uma planta poderia ser geneticamente manipulada. Neste artigo, ele sugeriu os três genes testados do ciclo da xantofila como alvos.

Em 2016, a equipe de Niyogi demonstrou que a extinção não fotoquímica poderia ser induzida e relaxada mais rapidamente usando expressão gênica transitória dos três genes do ciclo da xantofila. Expressão transiente é a expressão temporária de genes, neste caso, em uma folha de tabaco onde os genes foram injetados.

Em 2016, as equipes de Long e Niyogi trabalharam juntas para testar a construção VPZ no tabaco. O tabaco foi escolhido porque é fácil de transformar, produz muitas sementes e pode ser testado em campo. Este trabalho resultou em um Aumento de 14-21% na produção de biomassa vegetal em condições naturais de campo.

Em 2022, foi fundada a a construção VPZ foi testada em soja cultivada em condições naturais de campo, resultando em aumento de rendimento de até 33%.

Essa descoberta fará diferença para a fome global?

É provável que esta modificação possa aumentar o rendimento em outras culturas porque todas as plantas usam esses mesmos três genes para regular a têmpera não fotoquímica. Além disso, é tecnicamente possível modificar outras culturas; milho, algodão, batata, canola, trigo, arroz, morangos, alface, berinjela e muitos outros grãos, frutas e vegetais já foram bioengenharia e comercializados com sucesso. Além disso, uma vez desenvolvido, já existe um precedente para o cultivo de culturas de bioengenharia em grande parte do mundo. Por exemplo, em 2019, 74% da soja plantada no mundo foi geneticamente modificada for tolerância a herbicidas e resistência a insetos.

No entanto, há muita pesquisa, revisão e regulamentação envolvidas na introdução de um novo produto de bioengenharia no mercado. De acordo com Projeto de Alfabetização Genética, “nos Estados Unidos, onde ocorre grande parte da engenharia genética agrícola, leva em média quase oito anos e o gasto de mais de US$ 135 milhões para desenvolver uma nova característica e movê-la através do processo regulatório”.

LEIA O ARTIGO:

Amanda P. De Souza, Steven J. Burgess, Lynn Doran, Jeffrey Hansen, Lusya Manukyan, Nina Maryn, Dhananjay Gotarkar, Laurie Beth Leonelli, Krishna K. Niyogi, Stephen P. Long. 2022. 'A fotossíntese e a produtividade da soja são melhoradas pela aceleração da recuperação da fotoproteção'. Ciência https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9831