Melhoramento genético de plantas: trabalhando para produzir mais, melhor e de forma sustentável

Melhoramento genético em plantas é a aplicação de princípios genéticos para produzir plantas que são mais úteis para os humanos. Isso é realizado por selecionar as variáveis econômicas e/ou ambientais desejáveis. Primeiro controlando o cruzamento dos indivíduos selecionados e, em seguida, selecionando aqueles que apresentam as características desejáveis.

Esses processos, repetidos por muitas gerações, podem mudar as características das plantas, gerando novos valores para uma população vegetal, diferente das plantas antecessoras.  

Atualmente, os melhoristas – pesquisadores especializados em melhoramento – conseguem selecionar as plantas com maior potencial com base em dados de desempenho, árvore genealógica e informações genéticas mais sofisticadas, como informações do genoma.

Talvez você não saiba, mas o melhoramento genético é de grande importância para a alimentação humana e animal, produção de fibra, combustível, plantas para paisagismo, serviços de ecossistemas e uma variedade de outras atividades humanas.

O que é melhoramento genético em plantas e como surgiu?

O melhoramento genético de plantas é a produção de vegetais por cruzamento seletivo, hibridização ou ferramentas de biotecnologia. É o mecanismo de produção de novas variedades de plantas para horticultura e agricultura.

Embora o melhoramento de plantas tenha um papel significativo no desenvolvimento de diferentes civilizações humanas, geralmente não é reconhecido como uma atividade principal pelo público em geral. Desenvolvimentos feitos na medicina, engenharia, eletrônica, transporte, viagens espaciais etc. têm recebido maior atenção que o melhoramento de plantas. Mas, se mais energia tivesse que ser alocada para o desenvolvimento de suprimentos alimentares adequados, o progresso nas outras atividades humanas teria que ser mais limitado. 

O melhoramento genético em plantas é uma atividade milenar, que data dos primórdios da agricultura. Provavelmente, logo após as primeiras domesticações dos grãos de cereais, os humanos começaram a reconhecer graus de excelência entre as plantas em seus campos e guardaram as sementes das melhores lavouras para o plantio de novas safras. Esses métodos seletivos provisórios foram os precursores dos primeiros procedimentos de cultivo de plantas.

Com o início das pesquisas em melhoramento de plantas foram sendo observadas as enormes riquezas genéticas e a grande variabilidade nas plantas. Isso foi o começo para explorar todo o potencial de uso e domesticação das plantas.

Também conhecido como domesticação de plantas, o melhoramento genético gerou a maioria dos cultivos para a alimentação da população humana e faz parte da nossa evolução. Das 250 mil espécies de plantas que hoje são descritas e caracterizadas, atualmente, cerca de 50 mil tem potencial de interesse econômico.

As fases do melhoramento genético

Há aproximadamente 12.000 anos, com o aquecimento do clima, os solos foram transformados pelo progressivo aparecimento de savanas ricas em cereais (cevada, milho e trigo) que, naquela época, eram bastante heterogêneos. 

Contudo, à medida que o homem pré-histórico passou a colher e semear grãos, sempre na mesma época do calendário, foi eliminando algumas características dessas plantas como dormência, desenvolvimento lento, sementes pequenas e caules frágeis. 

Princípio do melhoramento e os povos ancestrais

A ideia de melhoramento intencional apareceu em 1513, quando Alonso de Herrera, em uma publicação, mencionou que no século I (a.C.) os romanos teriam praticado métodos de seleção em plantas de autofecundação, como o arroz ou o trigo.

O que os povos ancestrais não sabiam é que ao cultivarem esses cereais para sua alimentação, já estavam modificando o meio ambiente a sua volta e, consequentemente, selecionando genes e alterando o genoma dessas plantas.

No processo, a maioria de nossas principais safras como milho, trigo, cevada e muitas outras, foram domesticadas. Embora haja uma tendência de igualar o início do melhoramento de plantas com a leis de Mendel, as principais descobertas do melhoramento de plantas foram feitas antes de 1900.

Por exemplo, a seleção em massa para a concentração de sacarose na raiz da beterraba começou em 1786 e continuou até 1830. A primeira fábrica de açúcar de beterraba foi construída em 1802. Assim, os esforços de melhoramento de plantas planejados e direcionados resultaram em uma cultivar que permitiu o desenvolvimento de uma nova indústria, 100 anos antes das leis de Mendel, com o significado abaixo.

Ervilhas, mutações e genes

Em meados de 1800, Gregor Mendel delineou os princípios da hereditariedade usando ervilhas e, assim, forneceu a estrutura necessária para o melhoramento científico de plantas. À medida em que as leis da herança genética foram delineadas, mais detalhadamente no início do século 20, começou-se a aplicá-las ao melhoramento de plantas.

No final da década de 1920, os pesquisadores conseguiram gerar um grande número dessas variações ou mutações, expondo as plantas a raios-X e outros agentes mutagênicos. As plantas foram expostas a prótons, nêutrons, raios gama, partículas alfa e partículas beta para ver se induziam mutações úteis ou não. Azida sódica e metanossulfonato de etila são os produtos químicos que foram usados com sucesso para gerar mutações.

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Com maior conhecimento sobre os genes, descoberta da estrutura do DNA, a biotecnologia moderna foi se consolidando e permitiu uma revolução tecnológica no melhoramento genético de plantas.

Após décadas de pesquisa, as plantas geneticamente modificadas (GM) começaram a ser cultivadas comercialmente em meados da década de 1990. Com isso, as características desejadas passaram a ser inseridas em uma planta com maior precisão, usando métodos de engenharia genética.

Essas culturas GM tiveram novas características introduzidas em comparação com as culturas nativas, como: resistência a insetos, herbicidas, resistência a doenças, tolerância à seca e conteúdo nutricional aprimorado. 

Engenharia genética acelerando os processos de melhoramento

Atualmente, à medida que o acesso e a quantidade de dados genômicos aumentam, surgem novas oportunidades de colaboração entre o melhoramento clássico, que vinha sendo feito há anos, e a biotecnologia trazendo um melhoramento mais preciso e aplicado. 

As investigações sobre as origens e domesticação das culturas aumentam nossa compreensão da biologia evolutiva e melhoram a eficiência das estratégias para o melhoramento das culturas.

A engenharia genética é mais específica do que o melhoramento convencional e diminui o  tempo de geração dos cruzamentos. Uma vantagem potencial das técnicas da biotecnologia sobre o melhoramento clássico é o conhecimento do gene que está sendo inserido, enquanto alguns estudos relataram a introdução de genes indesejados usando o melhoramento clássico.

Embora a engenharia genética não seja um substituto para o melhoramento convencional, ela pode contribuir expressivamente para o melhoramento genético ao produzir mais diversidade genética, conforme linha do tempo na imagem abaixo:

Melhoramento de plantas no Brasil

De maneira geral, as plantas mais cultivadas no Brasil foram introduzidas de outros países, logo após o descobrimento. O trigo e a cana-de-açúcar, por exemplo, ao que tudo indica, foram introduzidos em 1534, na Capitania de São Vicente, hoje São Paulo.

O processo de cultivo e adaptação desses vegetais em um novo ambiente já faz parte do melhoramento genético em plantas. A seleção daquelas que melhor se adaptavam e mais produziam representam o início de estratégia que se desenvolveria e se estabeleceria no país séculos depois.

No Brasil, os primeiros processos de melhoramento em plantas ocorreram no Instituto Agronômico (IAC), de Campinas e na Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz – ESALQ/USP, no início da década de 1920. No IAC as pesquisas de melhoramento começaram com o algodão. Já na ESALQ, foram a mandioca, o arroz e o milho. Depois disso outras culturas começaram a ser estudadas, como o eucalipto, as olerícolas e a soja.

A criação das universidades e empresas de melhoramento de plantas foram desenvolvendo e ampliando o estudo das culturas. Na década de 1970, a Embrapa também auxiliou e acelerou esse desenvolvimento.

Atualmente, instituições públicas e privadas oferecem diferentes cultivares para as principais culturas do Brasil. Sempre levando em conta os novos desafios que surgem para serem driblados pela pesquisa.

E como o melhoramento mudou as plantas que conhecemos hoje?

As técnicas de melhoramento de plantas são extremamente bem-sucedidas e têm sido amplamente utilizadas na agricultura para aumentar o rendimento de várias plantas agrícolas, nas últimas cinco décadas. Além disso, sob condições ambientais variáveis, o melhoramento genético é ainda mais desejável para o desenvolvimento de variedades de culturas resistentes a múltiplos estresses ambientais.

O melhorista geralmente tem em mente uma planta ideal que combina um número máximo de características desejáveis. Essas características podem incluir:

• resistência a doenças e insetos; 
• tolerância ao calor, salinidade do solo ou geada; 
• tamanho, formato e tempo de maturação apropriados; 

Além de características que contribuem para uma melhor adaptação ao meio ambiente, também são consideradas: facilidade de cultivo e manuseio, maior rendimento e melhor qualidade.

Um dos objetivos de praticamente todos os programas de melhoramento – nome técnico que se dá a todas as pesquisas e práticas para a obtenção de uma nova cultivar – é aumentar o rendimento. Muitas vezes isso pode ser obtido selecionando plantas que apresentam características de desenvolvimento, conforme etapas abaixo:

Um exemplo disso é a seleção de variedades anãs de maturação precoce de arroz. Essas variedades são robustas e proporcionam maior rendimento de grãos. Além disso, sua maturidade precoce libera a terra rapidamente, geralmente permitindo um plantio adicional de arroz ou outra safra no mesmo ano.

Uma característica simples pode alterar todo o processo de produção. Assim, o melhorista deve levar em consideração as múltiplas características que tornam a planta mais útil no cumprimento do propósito para o qual foi cultivada.

O desenvolvimento de variedades de culturas adequadas para a agricultura mecanizada tornou-se um dos principais objetivos do melhoramento de plantas nos últimos anos. 

A uniformidade dos caracteres das plantas é muito importante na agricultura mecanizada, porque as operações de campo são muito mais fáceis quando os indivíduos de uma variedade são semelhantes em tempo de germinação, taxa de crescimento, tamanho dos frutos e assim por diante. A uniformidade na maturidade é, obviamente, essencial quando culturas são colhidas mecanicamente.

O melhoramento de plantas é uma ferramenta importante na promoção da segurança alimentar global e, muitas culturas básicas, foram cultivadas para melhor resistir às condições climáticas extremas associadas ao aquecimento global, como secas ou ondas de calor.

Técnicas modernas do melhoramento de plantas

Os programas de melhoramento de plantas podem ser divididos em dois grupos, incluindo o melhoramento de plantas clássico e moderno. No primeiro, as plantas são selecionadas com caracteres desejáveis e ocorre a eliminação dos caracteres indesejáveis por meio de cruzamentos. 

À medida que começamos a descobrir mais sobre a estrutura dos genomas – a partir do sequenciamento do DNA das culturas – e as características genéticas que influenciam a qualidade agronômica, há oportunidades para introduzir características valiosas em espécies de culturas existentes e para domesticar rapidamente novas culturas.

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Os modernos programas de melhoramento de plantas têm usado as novas técnicas de edição genética, como as técnicas de CRISPR. 

As ferramentas de edição genética como a CRISPR representam uma evolução no melhoramento genético de plantas. Usando CRISPR, os pesquisadores conseguem modificar genes de forma muito precisa e pontual. O que levaria muitos anos para acontecer no melhoramento convencional, poderá ser realizado num prazo muito inferior. Em muitos casos, um período 5 vezes menor. 

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Com isso, a agricultura ganhará em agilidade. Os produtores terão maior variedades de plantas adaptadas à seca, calor ou solo salino, com maior tolerância a doenças e ganhos nutricionais. Ou seja, uma diversidade de sementes e mudas que irão auxiliar os agricultores e ainda poderão beneficiar diretamente os consumidores. 

Principais fontes:

Turner-Hissong S. D. et al., Evolutionary insights into plant breeding. Current Opinion in Plant Biology, 2020.

Steinwand M. A. et al., Crop biotechnology and the future of food. Nature Food, 2020.