Trigo CRISPR que produz seu próprio fertilizante

O trabalho vem de um grupo de pesquisa dirigido por Eduardo Blumwald, ilustre professor do Departamento de Fitotecnia. Usando a ferramenta de edição genética CRISPR, a equipe aumentou a produção da planta de um de seus produtos químicos naturais. Quando as raízes do trigo liberam esse composto extra no solo circundante, ele auxilia bactérias específicas que podem converter o nitrogênio do ar em uma forma que as plantas próximas possam absorver. Este processo é conhecido como fixação de nitrogênio.

A pesquisa foi publicada em Revista de Biotecnologia Vegetal.

Benefícios potenciais para a segurança alimentar

Para muitas regiões em desenvolvimento, este avanço poderá oferecer um novo apoio para uma produção agrícola fiável.

“Em África, as pessoas não usam fertilizantes porque não têm dinheiro e as explorações agrícolas são pequenas, não maiores que seis a oito acres”, disse Blumwald. “Imagine que você está plantando culturas que estimulam as bactérias no solo para criar o fertilizante que as culturas precisam, naturalmente. Uau! Isso é uma grande diferença!”

Esta inovação no trigo baseia-se no sucesso anterior do grupo no arroz, e está em curso um trabalho semelhante para expandir a técnica a outras culturas cerealíferas importantes.

O problema global dos fertilizantes

O trigo é o segundo cereal mais produtivo do mundo e é responsável pela maior parcela do uso de fertilizantes nitrogenados, cerca de 18% do total global. Em 2020, mais de 800 milhões de toneladas de fertilizantes foram fabricadas em todo o mundo, segundo a Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura.

As plantas normalmente absorvem apenas 30 a 50% do fertilizante nitrogenado aplicado. O restante muitas vezes corre para rios e áreas costeiras, contribuindo para “zonas mortas” sem oxigênio que prejudicam os ecossistemas aquáticos. O excesso adicional de nitrogênio no solo pode produzir óxido nitroso, um potente gás de efeito estufa.

Por que o trigo precisa de uma estratégia diferente

As bactérias fixadoras de nitrogênio geram uma enzima chamada nitrogenase, às vezes chamada de “fixadora” porque realiza a fixação de nitrogênio. A enzima funciona apenas dentro dessas bactérias e apenas em ambientes com baixo teor de oxigênio.

Leguminosas como feijões e ervilhas formam naturalmente nódulos radiculares, estruturas especializadas que criam as condições de falta de oxigênio que essas bactérias necessitam.

O trigo e a maioria das outras culturas não possuem esses nódulos, razão pela qual o fertilizante de nitrogênio sintético é amplamente utilizado.

“Durante décadas, os cientistas têm tentado desenvolver culturas de cereais que produzam nódulos activos nas raízes, ou tentando colonizar cereais com bactérias fixadoras de azoto, sem muito sucesso. Utilizamos uma abordagem diferente”, disse Blumwald. “Dissemos que a localização das bactérias fixadoras de nitrogênio não é importante, desde que o nitrogênio fixado possa chegar à planta e a planta possa utilizá-lo.”

Como a equipe da UC Davis encontrou uma solução viável

Os pesquisadores examinaram 2.800 produtos químicos produzidos naturalmente pelas plantas e identificaram 20 que poderiam estimular bactérias fixadoras de nitrogênio a formar biofilmes. Esses biofilmes são revestimentos pegajosos que envolvem as bactérias, produzindo um microambiente com baixo teor de oxigênio adequado para a atividade da nitrogenase. A equipe então mapeou como as plantas sintetizam esses compostos e identificou os genes envolvidos.

Com esta informação, usaram o CRISPR para ajustar as plantas de trigo para que gerassem maiores quantidades de um composto em particular, uma flavona chamada apigenina. Como as plantas produzem mais apigenina do que necessitam, o excedente é liberado no solo. Em experiências, esta apigenina estimulou as bactérias do solo a formarem biofilmes protectores, permitindo à nitrogenase fixar o nitrogénio numa forma utilizável que o trigo pudesse absorver.

Sob condições de fertilizantes com nitrogênio muito baixo, o trigo modificado também produziu rendimentos mais elevados em comparação com as plantas de controle.

Grandes ganhos económicos para os agricultores

Os agricultores dos Estados Unidos gastaram quase 36 mil milhões de dólares em fertilizantes em 2023, de acordo com estimativas do Departamento de Agricultura dos EUA. Blumwald observa que cerca de 500 milhões de acres no país são plantados com cereais.

“Imagine, se você pudesse economizar 10% da quantidade de fertilizante que está sendo usada naquela terra”, ponderou. “Estou calculando de forma conservadora: isso deveria significar uma economia de mais de um bilhão de dólares todos os anos.”

Outros autores incluem Hiromi Tajima, Akhilesh Yadav, Javier Hidalgo Castellos, Dawei Yan, Benjamin P. Brookbank e Eiji Nambara.

A Universidade da Califórnia apresentou um pedido de patente, que está pendente. A Bayer Crop Science e a UC Davis Will Lester Endowment forneceram financiamento para o trabalho.