Cientistas descobrem um pequeno truque com plantas que pode aumentar o rendimento das colheitas

A pesquisa foi liderada por cientistas do Instituto Boyce Thompson (BTI), da Universidade Cornell e da Universidade de Edimburgo. Ele aborda uma grande limitação na agricultura que envolve a Rubisco, a enzima que captura dióxido de carbono do ar durante a fotossíntese.

Rubisco e os limites da fotossíntese

A Rubisco desempenha um papel central na vida na Terra, mas tem uma grande falha. A enzima funciona lentamente e pode interagir facilmente com o oxigênio em vez do dióxido de carbono, o que desperdiça energia e reduz a eficácia do crescimento das plantas.

“A Rubisco é indiscutivelmente a enzima mais importante do planeta porque é o ponto de entrada para quase todo o carbono dos alimentos que comemos”, disse o professor associado do BTI, Fay-Wei Li, que co-liderou a pesquisa. “Mas é lento e facilmente distraído pelo oxigênio, o que desperdiça energia e limita a eficiência com que as plantas podem crescer”.

Com o tempo, alguns organismos desenvolveram maneiras de superar essa ineficiência. Muitos tipos de algas, por exemplo, colocam a Rubisco dentro de pequenas estruturas em suas células chamadas pirenóides. Esses compartimentos microscópicos concentram dióxido de carbono ao redor da enzima, permitindo que ela opere com mais eficiência.

Os pesquisadores há muito esperam introduzir esse tipo de sistema de concentração de carbono nas culturas alimentares, que não possuem pirenóides naturalmente. No entanto, a transferência da maquinaria complexa das algas para as plantas terrestres revelou-se extremamente difícil.

Plantas Hornwort revelam uma estratégia inesperada

Um avanço ocorreu quando os cientistas examinaram as antóceros, as únicas plantas terrestres conhecidas por conterem compartimentos de concentração de carbono semelhantes aos encontrados nas algas. Como as antóceros partilham uma relação evolutiva mais próxima com as plantas cultivadas do que as algas, os investigadores suspeitaram que as suas ferramentas moleculares poderiam ser mais fáceis de transferir.

O que descobriram acabou por ser muito diferente do que esperavam.

“Presumimos que as erva-calau usariam algo semelhante ao que as algas usam – uma proteína separada que reúne a Rubisco”, disse Tanner Robison, um estudante de pós-graduação que trabalha com Li e co-autor do artigo. “Em vez disso, descobrimos que eles modificaram a própria Rubisco para fazer o trabalho.”

A proteína RbcS-STAR e o agrupamento Rubisco

O elemento-chave é um componente proteico incomum que os pesquisadores chamaram de RbcS-STAR. A própria Rubisco é construída a partir de pedaços grandes e pequenos de proteína. Nas antóceros, uma versão do pequeno componente inclui um segmento extra denominado região STAR.

Esta cauda adicional se comporta como velcro molecular. Faz com que as proteínas Rubisco se unam e formem estruturas agrupadas dentro da célula.

Para determinar se o STAR poderia funcionar em outras plantas, os pesquisadores realizaram vários experimentos. Eles introduziram pela primeira vez o componente RbcS-STAR em uma espécie de erva-calau intimamente relacionada que não forma pirenóides naturalmente. Após a mudança, a Rubisco deixou de se espalhar pela célula e passou a formar estruturas concentradas semelhantes a pirenóides.

Os cientistas testaram então a mesma ideia em Arabidopsis, uma planta amplamente utilizada em pesquisas laboratoriais. Mais uma vez, a Rubisco reuniu-se em compartimentos densos dentro dos cloroplastos.

“Até tentamos anexar apenas a cauda STAR ao Rubisco nativo de Arabidopsis, e isso desencadeou o mesmo efeito de agrupamento”, disse Alistair McCormick, professor da Universidade de Edimburgo, que co-liderou a pesquisa. “Isso nos diz que o STAR é realmente a força motriz. É uma ferramenta modular que pode funcionar em diferentes sistemas de fábrica.”

Caminho potencial para culturas mais eficientes

O facto deste mecanismo funcionar em diferentes espécies de plantas torna a descoberta especialmente importante para a agricultura. Isso sugere que os cientistas podem ser capazes de desencadear o agrupamento de Rubisco em plantas cultivadas simplesmente adicionando este componente universal de velcro.

No entanto, os pesquisadores enfatizam que ainda é necessário mais trabalho. Além de agrupar a Rubisco, as plantas também devem fornecer dióxido de carbono à enzima de maneira eficiente.

“Construímos uma casa Rubisco, mas não será uma casa eficiente a menos que atualizemos o HVAC”, disse Laura Gunn, professora assistente da Universidade Cornell, que co-liderou a pesquisa. A equipe agora está trabalhando para enfrentar esse desafio.

Um passo em direção a uma produção alimentar mais sustentável

Mesmo assim, a descoberta representa um avanço importante no esforço para melhorar a fotossíntese. O aumento da eficiência fotossintética, mesmo que ligeiramente, poderia aumentar o rendimento das colheitas e, ao mesmo tempo, reduzir o impacto ambiental da agricultura. Este objetivo é cada vez mais importante à medida que os cientistas procuram formas de produzir mais alimentos de forma sustentável para uma população global crescente.

“Esta pesquisa mostra que a natureza já testou soluções com as quais podemos aprender”, disse Li. “Nosso trabalho é compreender essas soluções o suficiente para aplicá-las onde são mais necessárias – nas culturas que alimentam o mundo”.

O estudo foi publicado na Science, com contribuições iguais de quatro cientistas em início de carreira: Tanner A. Robison, Yuwei Mao, Zhen Guo Oh e Warren SL Ang. Os autores correspondentes foram Laura H. Gunn, Alistair J. McCormick e Fay-Wei Li.