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Conjunto de mudanças genéticas nas estruturas responsáveis pela fotossíntese permite que plantas cresçam mais e consumam menos água
As plantas são como fábricas que produzem a partir de luz e dióxido de carbono – mas partes desse processo complexo, chamado de fotossíntese, são prejudicadas pela falta de matéria-prima e maquinário. Para otimizar a produção, cientistas da Universidade de Essex resolveram dois grandes “gargalos fotossintéticos” que podem ajudar a aumentar a produtividade de plantas em 27% em condições de plantio real no campo, de acordo com um novo estudo publicado na revista Nature Plants.
Este é o terceiro avanço para o projeto de pesquisa Realizing Aumented Photosynthetic Efficiency (RIPE); além disso, este “hack fotossintético” – uma série de manipulações genéticas feitas em conjunto – também mostrou conservar água. O experimento foi feito tendo como base o tabaco, uma espécie que reage bem a testes desse tipo.
“Como uma linha de fábrica, as plantas são tão rápidas quanto suas máquinas mais lentas”, disse Patricia Lopez-Calcagno, pesquisadora de pós-doutorado em Essex, que liderou este trabalho para o projeto RIPE. “Identificamos algumas etapas que são mais lentas, e o que estamos fazendo é permitir que essas plantas construam mais máquinas para acelerar essas etapas mais lentas na fotossíntese.”
O projeto RIPE é um esforço internacional liderado pela Universidade de Illinois para desenvolver colheitas mais produtivas, melhorando a fotossíntese – o processo natural movido a luz solar que todas as plantas usam para fixar dióxido de carbono em açúcares que alimentam o crescimento, o desenvolvimento e, por fim, a produção.
A produtividade de uma fábrica diminui quando os suprimentos, os canais de transporte e o maquinário confiável são limitados. Para descobrir o que limita a fotossíntese, os pesquisadores modelaram cada uma das 170 etapas desse processo para identificar como as plantas poderiam fabricar açúcares com mais eficiência.
Neste estudo, a equipe aumentou o crescimento da safra em 27% ao resolver duas restrições: uma na primeira parte da fotossíntese, onde as plantas transformam a energia da luz em energia química, e outra na segunda parte, onde o dióxido de carbono é fixado em açúcares.
Dentro de dois fotossistemas, a luz solar é capturada e transformada em energia química, que pode ser usada para outros processos na fotossíntese. Uma proteína de transporte chamada plastocianina move elétrons para o fotossistema para alimentar esse processo. Mas a plastocianina tem uma alta afinidade para sua proteína aceitadora no fotossistema, então ela fica pendurada, falhando em transportar elétrons para frente e para trás com eficiência.
A equipe abordou esse primeiro gargalo ajudando a plastocianina a dividir a carga, com a adição de citocromo c6 – uma proteína de transporte mais eficiente que tem uma função semelhante em algas. A plastocianina requer cobre e o citocromo requer ferro para funcionar. Dependendo da disponibilidade desses nutrientes, as algas podem escolher entre essas duas proteínas de transporte.
Ao mesmo tempo, a equipe da pesquisa melhorou um gargalo fotossintético no Ciclo de Calvin-Benson – em que o dióxido de carbono é fixado em açúcares – aumentando a quantidade de uma enzima chave chamada SBPase, pegando emprestado o maquinário celular adicional de outra espécie de planta e também de cianobactérias.
Ao adicionar “empilhadeiras celulares” para transportar elétrons para os fotossistemas e “maquinário celular” para o Ciclo de Calvin, a equipe também melhorou a eficiência do uso de água da cultura, ou seja, melhorou a proporção de biomassa produzida para água perdida pela planta.
“Em nossos testes de campo, descobrimos que essas plantas estão usando menos água para produzir mais biomassa”, disse a investigadora principal Christine Raines, professora da Escola de Ciências da Vida de Essex, onde também atua como Pró-Vice-Chanceler de Pesquisa. “O mecanismo responsável por esta melhoria adicional ainda não está claro, mas continuamos a explorá-lo para que nos ajude a entender por que e como isso funciona.”
Essas duas melhorias, quando combinadas, aumentam a produtividade da lavoura em 52% na estufa. Mais importante, este estudo mostrou um aumento de até 27% no crescimento da safra em testes de campo, que é o verdadeiro teste de qualquer melhoria de safra – demonstrando que essas alterações fotossintéticas podem aumentar a produção da safra em condições de cultivo real.
“Este estudo oferece a oportunidade empolgante de potencialmente combinar três métodos confirmados e independentes para alcançar aumentos de 20% na produtividade da colheita“, disse o diretor da RIPE, Stephen Long, Presidente da Ikenberry Endowed University of Crop Sciences and Plant Biology no Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, em Illinois. “Nossa modelagem sugere que a combinação desta descoberta com duas descobertas anteriores do projeto RIPE pode resultar em ganhos de rendimento de 50 a 60% em culturas de alimentos.”
A primeira descoberta do RIPE, publicada na Science, ajudou as plantas a se adaptarem às mudanças nas condições de luz para aumentar a produtividade em até 20%. O segundo avanço do projeto, também publicado na Science, criou um atalho em como as plantas lidam com uma falha na fotossíntese para aumentar a produtividade em 20 a 40%.
Em seguida, a equipe planeja transpor essas descobertas feitas com o tabaco – uma cultura modelo usada nos estudos como teste para melhorias genéticas por ser fácil de projetar, cultivar e testar – para cultivar alimentos básicos como mandioca, feijão, milho, soja e arroz, que são necessários para alimentar a crescente população.
