O arroz desempenha um papel crucial como principal alimento básico, alimentando mais de metade da população mundial. A procura global está a aumentar, impulsionada pelo crescimento populacional, pelas mudanças nas preferências alimentares e pelo aumento dos rendimentos em todo o mundo. Isto ocorre num momento em que os rendimentos estão cada vez mais ameaçados pelos efeitos adversos da mudança climática. Consequentemente, existe uma necessidade urgente de aumentar substancialmente a produção de arroz.

Num desenvolvimento encorajador, um estudo recente descobriu um processo de aumento de rendimento que poderia aumentar o rendimento do arroz em mais de 50%.

Tian-Gen Chang, cientista pesquisador do Grupo de Biologia de Sistemas Vegetais (liderado pelo Prof. Xinguang Zhu) do Centro de Excelência em Ciência Molecular de Plantas, Academia Chinesa de Ciências e colegas desenvolveu o modelo de interação carbono-nitrogênio da planta inteira (WACNI) para simular o crescimento da planta de arroz desde a floração até a colheita, oferecendo novos insights sobre o enchimento de grãos – uma fase fundamental no desenvolvimento do arroz.

Ilustração de uma planta de arroz e a composição do órgão de colheita, denominado espiga.

Os geneticistas e criadores de arroz já tentaram aumentar o rendimento do arroz aumentando o número de espigas e espiguetas. Contudo, o aumento potencial da produção resultante destas variações nem sempre é plenamente concretizado, uma vez que muitos grãos permanecem muitas vezes vazios. Os autores, portanto, direcionaram seus esforços para otimizar o enchimento de grãos, o que prometia ser um divisor de águas no aumento do rendimento.

O modelo WACNI diferia dos modelos anteriores de arroz porque simulava o crescimento e a senescência das plantas usando uma abordagem ascendente em vez de regras de crescimento predefinidas. “Desenvolvemos um modelo cinético para o metabolismo básico do carbono e do nitrogênio que ocorre em uma planta. Consequentemente, os balanços de carbono e nitrogênio, juntamente com a principal dinâmica fisiológica durante o enchimento dos grãos, surgem naturalmente desta abordagem de modelagem ascendente. Emocionantemente, o 'in silico arroz' criado pelo nosso modelo previu com sucesso a formação do rendimento de grãos sob várias perturbações ambientais, agronômicas e genéticas”, explicou Chang.

Pense na WACNI como uma planta de arroz virtual. Dentro deste mundo digital, os cientistas conseguiram ajustar 28 fatores-chave, como a rapidez com que as raízes absorvem o nitrogênio, a rapidez com que os açúcares são exportados das folhas e a rapidez com que os grãos usam os açúcares e crescem, para ver como eles afetam o crescimento das plantas e o rendimento final dos grãos. da planta virtual. Então, eles lançaram um “algoritmo genético” para encontrar as combinações superiores desses fatores para o máximo enchimento dos grãos.

Um algoritmo genético é um método computacional inspirado nos princípios da seleção natural e da genética. Ao aplicar iterativamente as etapas de seleção, reprodução e avaliação, o algoritmo genético explora o espaço de parâmetros, refinando gradualmente os valores dos parâmetros para encontrar as combinações que resultaram no maior rendimento de grãos. Esses valores de parâmetros servem como características definidoras dos “ideótipos de elite” para arroz de altíssimo rendimento.

Principais características fisiológicas desta elite in silico foram calculados ideótipos, revelando um aumento potencial de rendimento de 54% em relação às variedades padrão. Esta melhoria foi alcançada através da optimização da alocação de recursos entre os órgãos das plantas e da actividade enzimática em vários processos metabólicos, embora com uma redução de 37% no teor final de azoto dos grãos.

Ao optimizar a alocação de recursos entre os órgãos das plantas e a actividade enzimática, o rendimento dos grãos poderia ser aumentado em 54% em relação às variedades padrão, embora com uma redução de 37% no teor final de azoto dos grãos.

Notavelmente, os ideótipos de elite, independentemente de possuírem maior ou menor capacidade fotossintética ou de terem uma estação de enchimento de grãos mais longa ou mais curta, partilhavam algumas características definidoras comuns. Entre estes, o mais notável é uma taxa estável de enchimento de grãos desde a floração até a colheita. Análises mais aprofundadas mostraram que o “enchimento estável de grãos” pode servir como um marcador de uma relação equilibrada entre fonte e sumidouro durante a época de enchimento de grãos, o que é crucial para um alto rendimento.

Mas faça isso in silico previsões estão alinhadas com os resultados do mundo real? Para confirmar que as características simuladas se traduziram em ganhos de rendimento no mundo real, os investigadores cultivaram duas das mais recentes cultivares de arroz de altíssimo rendimento numa das regiões mais ideais para o cultivo de arroz, alcançando finalmente um rendimento recorde (21 toneladas por hectare de arroz grosso com teor de umidade de 14%). Eles monitoraram as características dessas cultivares durante a fase de enchimento de grãos. Ao comparar as características fisiológicas medidas em campo com as previsões do modelo nesta fase, observaram um alinhamento significativo. Ambos in silico e o arroz de altíssimo rendimento aumentaram a absorção de nitrogênio pelas raízes após a floração, diminuíram o conteúdo de carboidratos não estruturais do caule na colheita, uma redução gradual na área foliar pós-floração, teor consistentemente baixo de nitrogênio nos grãos e, mais notavelmente, um grão notavelmente estável. taxa de enchimento desde a floração até a colheita.

É possível aumentar o rendimento de cultivares típicas de arroz alterando os fatores-chave identificados pelo modelo que regulam o enchimento dos grãos? Quando a equipe aplicou seu modelo otimizado de enchimento de grãos a uma cultivar típica de arroz sob práticas de cultivo padrão, descobriu que poderia aumentar o rendimento de grãos em aproximadamente 30–40%. Este aumento significativo foi alcançado apenas através da otimização das atividades enzimáticas, sem a necessidade de alterar o tamanho dos órgãos da planta na fase de floração. Com os avanços na genética e nas tecnologias de edição do genoma, tais melhorias poderiam ser potencialmente alcançadas através da engenharia genética direcionada num futuro próximo.

Teoricamente, ao optimizar o enchimento de grãos, o rendimento de grãos de uma cultivar de arroz típica, XS134, cultivada sob práticas de cultivo padrão, poderia ser aumentado em 30-40%.

Um parâmetro que geralmente é focado como meta para aumentar o rendimento é o aumento da fotossíntese. Os autores argumentam que, se isto for alcançado, a coordenação da relação fonte-dreno também deve ser melhorada para garantir que o aumento de carboidratos possa ser utilizado.

Chang conclui: “Nossa estrutura computacional inovadora para o enchimento de grãos de arroz destaca o papel fundamental da coordenação da relação fonte-dreno durante o enchimento de grãos. Este deve ser um foco principal no melhoramento de culturas, juntamente com o aumento da fotossíntese foliar. Os marcadores moleculares e fisiológicos identificados neste estudo podem orientar o desenvolvimento de futuras variedades de arroz de alto rendimento.”

LEIA O ARTIGO:

Tian-Gen Chang, Zhong-Wei Wei, Zai Shi, Yi Xiao, Honglong Zhao, Shuo-Qi Chang, Mingnan Qu, Qingfeng Song, Faming Chen, Fenfen Miao, Xin-Guang Zhu, Unindo a fotossíntese e a formação do rendimento das colheitas com um modelo mecanicista de interação carbono-nitrogênio de toda a planta, in silico Plants, Volume 5, Edição 2, 2023, diad011, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad011

O código-fonte utilizado para este estudo, juntamente com os comandos operacionais e o guia do usuário, está disponível gratuitamente para uso não comercial em https://github.com/rootchang/WACNI-rice.git.