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Produção de Plantas

A inovação na produção de plantas: uma história que se mistura com a evolução das nossas vidas em sociedade.

Sementes, o início de tudo

O primeiro elo entre a humanidade e a produção de plantas foi o reconhecimento das sementes como estrutura de importância para a alimentação. As sementes são utilizadas como fonte de carboidratos, proteínas e vitaminas desde as primeiras civilizações.

Além disso, o homem, logo descobriu que essas estruturas tinham o poder de germinação e de dar origem a uma nova planta. Em função de todo o seu potencial, a pesquisa e o desenvolvimento de sementes cada vez mais produtivas e adaptadas representa uma das áreas mais importantes das ciências agrícolas. 


O que são sementes?

A semente é uma estrutura que serve de proteção para o embrião de uma planta, é formada por uma camada rígida (tegumento) e pelo endosperma que serve de fonte energética para que essa semente germine, se estabeleça e eventualmente cresça. 

As sementes são formadas no processo de fecundação que ocorre entre os gametas masculino e feminino de um vegetal, e carregam todo o material genético – o germoplasma – que dará origem novo a indivíduo adulto. Assim, elas marcam o estágio inicial de mais um ciclo de vida.

Estrutura da semente

As sementes são formadas no processo de fecundação que ocorre entre os gametas masculino e feminino de um vegetal, e carregam todo o material genético – o germoplasma – que dará origem novo a indivíduo adulto. Assim, elas marcam o estágio inicial de mais um ciclo de vida.

Os germoplasmas são de extrema importância para quem trabalha com pesquisa e desenvolvimento de plantas. Graças às características genéticas ali presentes, poderemos ter plantas com resistência a doenças, pragas e até mesmo estresses bióticos e abióticos. Por isso, o germoplasma é uma fonte muito valiosa nos programas de biotecnologia e melhoramento genético. 

Para proteger esses patrimônios genéticos, foram criados ambientes protegidos e de segurança, conhecidos como bancos de germoplasma, onde ficam armazenadas sementes e mudas das mais variadas espécies vegetais.

As sementes estão na Terra há muito tempo. Elas apareceram pela primeira vez há mais de 350 milhões de anos, e conferiram um importante passo evolutivo para o Reino Vegetal.


Qual é a função das sementes? 

Considerando que a semente é um dos estágios da vida de uma planta, ela mantém a função de perpetuar a espécie, o que está atrelado à sua capacidade de dispersão, ou seja, de conseguir ser levada para longe. Como as plantas são fixas, se todas as sementes germinassem e crescessem próximo à planta mãe, haveria uma grande competição entre elas.

Dessa forma, cada espécie desenvolveu estratégias de dispersão de sementes (por animais, pelo vento, por abertura natural [deiscência], ou pela própria gravidade, o que conferiu características morfológicas particulares aos diferentes grupos.

Além da função que a semente tem para a espécie a que pertence, ainda pode ser consumida como grão pelos animais e humanos. Isso ocorre quando é aproveitada como alimento ou matéria prima para atividades industriais.

E esta é uma das principais razões pelas quais as sementes têm um papel importante na interação entre o homem e os vegetais, com grandes repercussões para a agricultura, a segurança alimentar e o setor de saúde.


Nem todas plantas se desenvolvem a partir de sementes

Muito vegetais possuem algumas células que são capazes de originar um outro indivíduo idêntico ao doador, formando o que conhecemos como clones. Esse processo também é denominado propagação vegetativa e pode ser utilizado para a produção de mudas que são empregadas na agricultura.  Essa estratégia é principalmente utilizada nas culturas em que o desenvolvimento da planta é lento.

Assim como as sementes, as mudas servem para proteger e perpetuar o material genético – germoplasma – das espécies vegetais.


Quais são as vantagens do uso de mudas na agricultura?

Em algumas culturas a utilização de mudas na lavoura é muito favorável pois, além de acelerar o processo de desenvolvimento da planta, as mudas apresentam maior custo benefício, para algumas culturas, e evitam o desperdício de sementes e desgaste do solo.

O uso de mudas na agricultura também reduz gastos na quantidade de insumos agrícolas necessários durante o desenvolvimento da lavoura. Além disso, por serem clones, essas mudas irão se desenvolver de forma mais uniforme, evitando grandes discrepâncias, entre as plantas, em grandes áreas cultivadas.

A produção de mudas em viveiros ainda é vantajosa pois essa prática permite a aplicação de técnicas de propagação, que resultam em plântulas de alta sanidade, sendo possível a eliminação de microrganismos, comumente encontrados em plantas germinadas a partir de sementes, e que podem causar doenças. Essa estratégia de plantio é empregada nas culturas de café, banana, citros, cana-de-açúcar, cacau e muitas outras.

A produção de mudas pode ser realizada a partir de:

  • Propagação por sementes;
  • Propagação vegetativa;
  • Propagação vegetativa por enxertia;
  • Propagação vegetativa por estaquia.

Sementes como fonte de alimentação

No caso do melhoramento de sementes para fins alimentares (ou seja, um de seus usos como grãos), um dos exemplos mais marcantes ocorreu com a geração do milho como a cultura agrícola que conhecemos hoje.

Segundo registros arqueológicos, o ancestral dos híbridos de milho modernos, chamado teosinto, produzia uma espigueta com número reduzido de sementes duras, o que resultava em baixa produtividade e dificultava a exploração do seu potencial nutricional.

Os povos indígenas do sul do México teriam desenvolvido as primeiras técnicas necessárias ao melhoramento das propriedades da espiga, que aumentaram em quantidade, tamanho e número de grãos produzidos. A seleção dessas características agregou valor à cultura, fazendo com que ela se espalhasse por um vasto território do continente americano, sendo assim criada uma importante rede de comércio.

A evolução do milho e de suas sementes para o melhor aproveitamento pelo homem talvez seja um dos exemplos mais estudados e conhecidos de aplicação prática dos conceitos de melhoramento genético convencional.

Essa evolução pode ser extrapolada para todas as culturas de vegetais que foram domesticadas, dado que todas foram originadas de um ancestral que, em algum momento, era selvagem. 

Com seu papel central na perpetuação das atividades agrícolas e na evolução de diferentes segmentos produtivos, a semente foi ganhando um espaço cada vez mais representativo.


O princípio da biotecnologia

Por definição, biotecnologia é qualquer aplicação prática de conhecimento que envolve seres vivos para a geração de produtos ou serviços. Ao atuar de forma intencional na manipulação de plantas por meio do cruzamento genético convencional, o homem já aplicava conhecimentos biotecnológicos para geração de novas variedades. 

A principal técnica da época da Primeira Revolução Agrícola, consistia na seleção e propagação de plantas com características desejadas, como frutos maiores ou mais saborosos, e a eliminação daqueles com traços menos vantajosos.

Vale lembrar que o melhoramento de sementes não se deu de forma isolada. Outras vertentes da agricultura associadas a ele também sofreram incrementos e provocaram alterações locais, necessárias para o aumento de produtividade que já era desejado naquela época.

Como é o caso do desenvolvimento de semeadeiras e técnicas rudimentares, como a queimada de vegetações que facilitavam a caça e modificavam o meio para que a composição da flora e da fauna permitissem melhores condições de cultivo.

Da mesma forma, o plantio em meio à floresta também era feito, talvez configurando o início do que hoje denominamos sistema agroflorestal (SAF), ou agrofloresta.

Mas as datas exatas em que esses eventos ocorreram são incertas, dado que as comunidades de então coletavam e se alimentavam das sementes antes da domesticação das plantas propriamente dita, o que pode ter feito com que certas modificações tenham acontecido sem a interferência intencional do homem. 

Biotecnologia e as plantas transgênicas

Na década de 1980, diferentes grupos de pesquisa foram capazes de produzir as primeiras plantas transgênicas (contendo genes de outras espécies). Isso abriu uma nova era da biotecnologia aplicada à agricultura, dado que agora seria possível incorporar características de interesse agronômico que antes apresentavam a barreira de cruzamento entre diferentes espécies. 

Assim, plantas tolerantes a herbicidas e resistentes a insetos já iam a campo para os primeiros testes ainda naquela década. O Flavr Savr, tomate transgênico que tinha um tempo de meia vida na prateleira estendido, foi a primeira cultura transgênica do mundo destinada à alimentação que recebeu liberação comercial.

Depois dela, muitas outras foram desenvolvidas e lançadas, o que resultou em forte adesão por parte dos produtores.

De fato, os ganhos de produtividade advindos da adoção de sementes transgênicas foram bastante expressivos. Entre 1996 e 2018, 191,7 milhões de hectares foram plantados com culturas transgênicas por mais de 17 milhões de agricultores.

Seja apenas para importação ou também considerando plantio, 70 países de todos os continentes já adotaram sementes derivadas da biotecnologia moderna, sendo as principais culturas a soja, o milho, o algodão e a canola.

O plantio de culturas transgênicas trouxe benefícios para a segurança alimentar e a sustentabilidade, além da redução dos efeitos sobre mudanças climáticas de várias formas: 

  • Conservação da biodiversidade devido ao menor uso de áreas agriculturáveis;
  • Diminuição do uso de praguicidas;
  • Redução da emissão de CO2;
  • Melhoria da qualidade de vida de agricultores – principalmente aqueles de baixa renda e residentes de países em desenvolvimento. 

Até o momento, o país com o maior número de liberações comerciais dessas culturas é os Estados Unidos. O Brasil segue em quinto lugar, depois de Japão, Canadá e Coreia do Sul, com mais de 170 aprovações.

É válido lembrar que o grão também é uma semente, mas é aquela que não é destinada ao plantio e que, portanto, não germinará.

O grão tem como finalidade entrar nas cadeias de produção para gerar os produtos que atendem uma grande diversidade de mercados. No início da agricultura e da biotecnologia, sua utilidade era quase que totalmente restrita ao consumo direto por parte de seres humanos e animais. 

Ainda hoje, a grande finalidade dos grãos continua sendo a de consumo direto, pois representam importante fonte de carboidratos, proteínas e vitaminas. De fato, 48% das calorias ingeridas por humanos são originadas de grãos. Mas esses usos foram ampliados para a geração de óleos culinários, combustíveis, fibras, cosméticos e até medicamentos.


As sementes e o ser humano: como tudo começou

A humanidade moderna sempre dependeu de vegetais para se alimentar, bem como desenvolver ferramentas e outros insumos para sua subsistência, o que invariavelmente envolvia a interação com sementes de diferentes tipos. Além disso, há mais de 10.000 anos o ser humano apresentava comportamento nômade, ou caçador-coletor. 

Isso significa que ele migrava com alta frequência, expunha-se a diferentes ambientes e, consequentemente, a espécies vegetais distintas. Mas em torno daquela época, ocorreu um evento que mudou completamente o curso da humanidade: a Revolução do Neolítico, ou Primeira Revolução Agrícola.


Primeira Revolução Agrícola

Uma das características da Revolução Agrícola foi a drástica transição do modo de vida da época: o homem passava a ser sedentário, se estabelecendo em assentamentos que viriam a compor os primeiros vilarejos.

Os agrupamentos humanos tinham necessidades que antes eram atípicas à vida nômade, inclusive quanto à relação com animais e plantas. Agora que o homem era sedentário, ele podia observar esses organismos, focando nas características que lhe eram interessantes dentro do seu novo contexto de vida.

Era o início da domesticação, como no caso do lobo que deu origem ao cão doméstico e de inúmeras espécies de culturas vegetais. Ao viver por mais tempo em um mesmo local, ficava mais fácil acompanhar os ciclos de vida dessas culturas, bem como fazer experimentos rudimentares de cruzamento e observar como seria possível perpetuar determinadas características.

Assim, o cultivo dos primeiros vegetais dava origem aos primórdios da seleção artificial e da agricultura.

Avanços da agricultura

Apesar da Primeira Revolução Agrícola ser considerada um dos principais eventos da nossa história, outros acontecimentos relativos às práticas no campo foram igualmente importantes para a evolução das taxas de produtividade, incluindo aquelas que envolviam o plantio de sementes. As semeadeiras, por exemplo, tinham como objetivo melhorar o plantio, distribuindo as sementes mais rapidamente e com melhor espaçamento.

Acredita-se que as primeiras semeadeiras tenham sido desenvolvidas pelos babilônios por volta de 1.400 AC, sendo que registros indicam que modelos mais elaborados foram inventados na China mais de mil anos mais tarde.

Acredita-se que estes modelos mais modernos foram responsáveis por garantir os rendimentos necessários para a manutenção da grande população do país ao longo dos séculos.

Em meados do século XVI, as semeadeiras chinesas chegavam à Europa pela Itália, sendo patenteadas pelo senado de Veneza. No início do século XVIII, o inglês Jethro Tull fez melhorias significativas à semeadeira, que se tornou capaz de executar o processo de maneira mais elaborada, ajustando a profundidade e o espaçamento com menor variação. 

Além disso, após o depósito das sementes no solo, o maquinário era capaz de cobri-las, permitindo sua germinação. Apesar de frágeis e de ainda serem muito imprecisos se comparados aos modelos atuais, esses equipamentos foram fundamentais para a Segunda Revolução Agrícola que ocorria no ocidente: a Revolução Agrícola Britânica.


Segunda Revolução Agrícola ou Revolução Agrícola Britânica

Caracterizada por um aumento sem precedentes na produtividade e produção, principalmente no Reino Unido, a Revolução Agrícola Britânica se deu entre meados do século XVII e final do século XIX. Uma das causas foi o aumento da população local, que passou a demandar uma maior quantidade de produtos derivados da agricultura. 

Além disso, o capitalismo se estabelecia como modelo socioeconômico e, inicialmente, baseou-se no campo como base de sustentação. Interessantemente, a própria Revolução Agrícola Britânica foi uma das causas que levou à Primeira Revolução Industrial que viria logo em seguida, caracterizando-se como um movimento de transformação de certos processos que passavam das mãos humanas para as máquinas.

Com o aumento de produtividade no campo, trabalhadores podiam agora se dedicar ao trabalho nas fábricas e outros setores econômicos nascentes. O domínio de metais e da produção de máquinas agregava eficiência a todos os processos produtivos e, para a agricultura, não poderia ser diferente.

O modelo da semeadeira elaborada por Jethro Tull passou por modificações que a deixaram mais robusta, com melhor rendimento e precisão. Arados, sulcadores e diversos instrumentos também passavam por otimizações e se mesclavam com outras inovações industriais do século XIX, fomentando o desenvolvimento de economias em diferentes regiões do mundo.

Depois da máquina a vapor e do modelo Ford T, representantes das duas primeiras revoluções industriais, o mundo apresentava-se muito mais maduro e preparado para atender as demandas globais por meio da agricultura.

Do ponto de vista teórico, os conhecimentos sobre a genética da semente e dos organismos de forma geral estavam melhor consolidados.

Gregor Mendel, através de seus experimentos com ervilhas, elucidou os aspectos da transmissão de características entre diferentes gerações de plantas ainda no final do século XIX, dando a base para os conhecimentos sobre hereditariedade que temos hoje.

Da mesma forma, a indústria química se fortalecia, podendo fornecer fertilizantes, defensivos e outras categorias de insumos mais sofisticados para o fortalecimento da agricultura.

Estudos sobre solo, influências climáticas, pragas e sistemas de irrigação também geravam um acúmulo de conhecimentos valiosos que atuavam em sinergia para auxiliar o agricultor a vencer seus desafios.

Todo esse movimento foi necessário para fundamentar a Revolução Verde, considerada a Terceira Revolução Agrícola, na qual a semente teve um papel essencial.


Terceira Revolução Agrícola ou Revolução Verde

Tendo seu expoente entre 1950 e o fim dos anos 60, a Revolução Verde consistiu num conjunto de práticas tecnológicas mais avançadas, advindas da pesquisa e do desenvolvimento que contribuíram para um aumento marcante de produtividade global, principalmente nos países em desenvolvimento.

As iniciativas da época eram centradas em melhorias na irrigação, utilização de fertilizantes sintéticos e praguicidas, técnicas de manejo mais modernas, melhor espaçamento e densidade de plantas, e a geração de sementes híbridas. 

Estas sementes são geradas a partir do cruzamento entre duas variedades/linhagens puras de plantas, sendo vantajosas por poderem resultar em plantas que apresentam melhor desempenho do que as parentais, o que é denominado vigor híbrido ou heterose. Dentre as características que são melhoradas, podem estar a produtividade, resistência a fatores bióticos e abióticos, tamanho e maior uniformidade, o que é dependente da cultura de interesse.

Um dos pioneiros nos estudos relativos ao desenvolvimento de híbridos foi George Shull, um geneticista americano que trabalhava com cruzamento de plantas de milho já no início do século XX, e cujos achados viriam a revolucionar a agricultura anos depois. 

Curiosamente, Shull não tinha o interesse comercial sobre suas pesquisas, mas sim de desvendar a genética por trás dos cruzamentos que resultavam em plantas com características mais ou menos acentuadas. A Revolução Verde, por sua vez, fez uso dos conhecimentos advindos dessas pesquisas básicas para aplicá-los e atender a grande demanda global por alimentos e energia.

Liderando este movimento estava Norman Borlaug, um agrônomo americano que escalonou a produção de sementes híbridas e aplicação de técnicas de manejo para um nível global, sendo por isso considerado o pai da Revolução Verde. Suas pesquisas conduzidas no México resultaram no desenvolvimento de híbridos de trigo semianão que apresentavam alta produtividade e resistência a doenças. 

Borlaug se valeu das condições climáticas que o México possui para plantar sementes duas vezes ao ano, o que otimizou o processo do desenvolvimento de sementes híbridas com o objetivo de combater a ferrugem da folha do trigo e melhorar o crescimento de plantas em solo pouco fértil. 

No caso de doenças, a geração de plantas resistentes foi possível graças ao cruzamento de múltiplas linhagens, o que resultava em um material genético (germoplasma) que apresentava uma combinação de genes que conferia a resistência. Por outro lado, o solo pouco fértil demandava a fertilização com nitrogênio, o que levava a um rápido crescimento das plantas. 

Contudo, a alta estatura atingida não era acompanhada por uma boa estrutura geral da planta, fazendo com que o peso das sementes produzidas levasse à quebra do caule. Com isso, o nanismo passou a ser uma característica importante para o trigo, pois permitia a obtenção de uma planta que era capaz de se sustentar mesmo com uma massa de sementes relativamente alta para o estágio de crescimento.

Paralelamente aos avanços da Revolução Verde, áreas como a genética, a bioquímica e a biologia molecular progrediram consideravelmente durante o século XX, resultado no domínio da tecnologia do DNA recombinante e, consequentemente, na biotecnologia moderna.

O domínio das técnicas de sequenciamento do DNA levou a um melhor entendimento da função dos genes nos organismos, tornando possível o uso de marcadores moleculares que aceleraram os programas de melhoramento de plantas.


O mercado de sementes 

A indústria global de sementes foi recentemente avaliada em USD 52 bilhões e encontra-se em franco crescimento. No Brasil, estima-se um mercado de aproximadamente U$ 7,6 bilhões, o terceiro do mundo, atrás apenas de Estados Unidos com U$ 12 bilhões e China com U$ 10, 8 bilhões. 

Com um parque sementeiro bastante diversificado, o país é referência no desenvolvimento de plantas adaptadas às condições tropicais e subtropicais. Em 10 anos, a safra brasileira de sementes saltou de 1,7 milhão de tonelada, na safra de 2005/06, para 4 milhões de toneladas de sementes, na safra 2016/17. 

Os mercados de sementes de soja e milho permanecem entre os principais do Brasil, respondendo juntos por 74% do mercado de sementes. Mas, nos últimos anos, foi verificado um crescimento e uma maior profissionalização de outros importantes mercados de sementes, como os de frutas e hortaliças.

Plantas hoje e amanhã

Muitos dos eventos relacionados ao progresso do homem tiveram como denominador comum o melhoramento das plantas. Hoje, apesar desse cenário não ser diferente, o contexto tecnológico no qual nos inserimos é muito específico: vivemos na Era da Informação.

A Era da Informação é caracterizada pelo fato de que muitas pessoas têm um fácil acesso a dados, informação e conhecimento. Por conta de suas particularidades, muitas ferramentas e plataformas foram criadas para dar suporte a ela: internet das coisas (IoT – Internet of Things), ciência de dados (data science), computação em nuvem (cloud computing) e big data (e seus cinco “Vs”: Velocidade, Volume, Volatilidade, Veracidade, Valor).

Como o melhoramento de plantas se insere nesse novo mundo? 

A caracterização molecular das diferentes espécies de vegetais foi um dos passos iniciais da transformação digital da biologia. Teremos cada vez mais variedades de plantas sequenciadas e seus códigos genéticos detalhados, o que exigirá o armazenamento em bases digitais ainda mais robustas. 

Com essas informações em mãos, chegaremos ao mapeamento de genes mais informativos para os programas de melhoramento. Por sua vez, as bases de dados genéticos geradas têm sido vinculadas aos bancos de germoplasma, que são repositórios genéticos físicos que visam preservar a diversidade das espécies de interesse.

Ainda do ponto de vista da genética presente nas sementes e mudas, a edição gênica está revolucionando a maneira como o DNA pode ser manipulado.

A possibilidade de acelerar, baratear e melhorar a precisão de alterações genéticas que resultam em características benéficas mudou a forma como desenvolvemos novas variedades que podem conferir maior produtividade, melhor qualidade nutricional, sabor mais intenso, entre outras.

Assim como para a área médica, o diagnóstico de doenças pode ser associado a esta tecnologia, auxiliando na proteção de cultivos com maior agilidade de detecção, prevenção e atuação preventiva.

A identificação de microrganismos benéficos para a proteção e estímulo de crescimento de sementes é também uma área em grande expansão, e que vem alterando o tratamento de sementes industrial (TSI).

Além dos ingredientes que já eram aplicados sobre as sementes antes do plantio, estes pequenos organismos vivos têm sido utilizados para combater outros microrganismos que são patogênicos (como fungos e bactérias) e aumentar as chances de sucesso na germinação e desenvolvimento das plantas.

O uso de equipamentos automatizados e sistemas computacionais específicos permitem maximizar a identificação das bactérias e fungos benéficos, bem como calibrar a melhor taxa de aplicação para o tratamento das sementes.

Finalmente, o campo que recebe as sementes ou mudas está cada vez mais conectado com o mundo digital, o que resulta na agricultura digital ou agricultura 4.0. Aplicativos já permitem experiências interativas e que retratam em tempo real os eventos que ocorrem no campo e chegam ao produtor por meio de seu dispositivo mobile.

As próprias plantadeiras e colheitadeiras de hoje possuem mecanismos integrados que são capazes de depositar as sementes em profundidades e espaçamentos precisos.  

Elas contam também, com sistemas de direção autônoma que dão liberdade para que o operador se concentre em funções mais valiosas. Sensores no solo são capazes de avaliar a umidade e níveis de nutrientes para garantir o melhor ambiente de crescimento.  

Ao mesmo tempo, drones já têm a tecnologia necessária para escanear as culturas plantadas e identificar doenças e outras anomalias que podem ser prejudiciais. Em breve, veículos aéreos não tripulados (VANTs) de diferentes portes deverão sobrevoar extensas áreas para a aplicação de insumos com alta precisão, reduzindo o consumo de defensivos e fertilizantes, e aumentando a sustentabilidade das diferentes práticas de manejo.

Como vimos, sementes vêm suprindo inúmeras de nossas necessidades há milênios. A história do melhoramento de sementes se mistura com a história do progresso do ser humano e das diferentes áreas de conhecimento que ele domina. Atualmente, as ferramentas biotecnológicas, de proteção de cultivos e da Era da Informação expandem os horizontes do melhoramento de sementes.

A combinação destes esforços será necessária para que o agricultor vença o grande desafio de produzir alimentos, energia e fibras para uma população global de quase 10 bilhões de pessoas em 2050 sem agredir o meio ambiente. A sustentabilidade do nosso planeta dependerá da nossa capacidade de valorizarmos todo o potencial contido na semente e de sabermos aprimorar tudo o que foi construído até os dias de hoje.

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