Plantas tolerantes à seca otimizam o uso de água

A água é essencial à vida de todos os organismos vivos e seu uso se faz necessário em diversas atividades humanas. Com o crescimento da população humana a demanda tem sido cada vez maior e na agricultura não é diferente.

Por isso, há muitos anos tem-se investido em tecnologias e infraestruturas hídricas capazes de atender à demanda da lavoura sem que haja desperdício desse recurso, que é sinônimo de vida e altamente suscetível às variações climáticas.

No entanto, a seca e o aumento constante da temperatura representam os principais estresses abióticos que ameaçam a produtividade das lavouras e a segurança alimentar global.

A água na agricultura

A água é essencial ao desenvolvimento das plantas e esteve presente desde os primórdios da agricultura, onde a chuva era a principal fonte. A necessidade de irrigar – fornecer água para as plantas – possibilitou que as antigas civilizações desenvolvessem os primeiros sistemas de irrigação e prosperassem, como o que foi observado no Egito e Mesopotâmia.

Por volta de 5.500 a.C., agricultores na Mesopotâmia canalizaram a água de riachos para seus campos, e puderam se estabelecer em áreas antes consideradas inadequadas para a agricultura. De lá para cá, o desenvolvimento de novas tecnologias, de novos sistemas de manejo e de novas cultivares fizeram com que a agricultura fosse hoje o motor do desenvolvimento humano global.

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No Egito, o Nilo inundava por alguns meses a cada ano e as águas eram desviadas para os campos para permitir que os fazendeiros cultivassem alimentos. Em 3100 a.C., um grande projeto de irrigação foi construído, envolvendo represas e canais de até 20 quilômetros de extensão.

Os romanos usavam represas e reservatórios para irrigação e depois distribuíam a água por canais. Também construíram grandes aquedutos para transportar água não apenas para a agricultura, mas para banhos e casas.

Do outro lado do Oceano Atlântico, no México, a irrigação iniciou em 600 a.C. e envolveu a construção de barragens de armazenamento onde blocos foram unidos e sistemas de canais desenvolvidos para controlar cuidadosamente a água. 

A irrigação no Sri Lanka remonta a cerca de 300 a. C., onde foi utilizado um sistema muito complexo de canais subterrâneos, e este é o primeiro local onde foram construídos reservatórios artificiais para armazenamento de água em um incrível feito de engenharia. Por serem tão bem projetados que existem até hoje.

Assim, a irrigação ilustra a habilidade humana em controlar nosso mundo através do uso de técnicas inovadoras.

As técnicas de irrigação podem continuar a se desenvolver, mas o processo básico de direcionar artificialmente a água para terras agrícolas permaneceu um esteio da agricultura por milhares de anos e permitiu aos humanos dominarem seu ambiente onde quer que vivessem.

Aquecimento global exige novas tecnologias

Como a agricultura é totalmente dependente do clima e da água, é preciso sempre inovar, uma vez que as mudanças climáticas têm se intensificado nas últimas décadas. Tanto pelos longos períodos sem chuva, quanto pelo aumento da temperatura, resultando na maior evaporação da água disponível. Buscar alternativas para manejar essas dificuldades se faz cada vez mais necessário.

As mudanças climáticas afetam a agricultura

As alterações do clima geram principalmente estresses abióticos, como a salinidade do solo, a temperatura alta e a seca (estresse hídrico), que são agressivos ao crescimento e desenvolvimento das plantas, levando a grandes prejuízos no rendimento da cultura em todo o mundo.

No entanto, os sistemas modernos de irrigação, quando bem empregados, trazem benefícios ao meio ambiente, aos produtores e consumidores. Isso porque essa tecnologia aumenta a produtividade, reduz custos unitários e otimiza o uso de insumos e equipamentos.

Infelizmente, nem todos os produtores dispõem da tecnologia de irrigação em suas plantações, o que pode agravar os problemas ocasionados pelas mudanças climáticas. No entanto, o melhoramento genético vem desenvolvendo plantas mais tolerantes aos estresses abióticos, que além de estarem disponíveis aos que não têm acesso à irrigação, também auxiliam na economia de água dos produtores que irrigam.

O calor e a falta d’água prejudicam as plantas

O aumento da temperatura é considerado o fator crucial para a redução da quantidade e qualidade da água.

À medida que os recursos hídricos diminuem e a desertificação se intensifica em resposta às mudanças climáticas, as perdas produtivas tendem a piorar. O aumento esperado na área e extensão da salinização de terras aráveis exigirá novas tecnologias para garantir a sobrevivência das culturas.

E é por isso que o estresse ambiental é o principal fator limitante da produção em sistemas agrícolas. Estresses abióticos, como condições ambientais adversas, podem aumentar intensamente as perdas de produtividade das culturas, variando de 50% a 70%. 

A falta de água nos cultivos agrícolas causa reduções severas na produção e afeta o comportamento fisiológico das plantas. A temperatura acima de 35 °C, por exemplo, afeta o crescimento vegetativo e reprodutivo do milho, desde a germinação até o enchimento dos grãos.

Algumas pesquisas mostram que houve redução no rendimento em até 40% para o milho e 21% para o trigo, apenas reduzindo em 40% a disponibilidade de água. No caso do feijão-caupi, uma cultura importante na África, a redução da produtividade pode variar entre 34 e 68%, dependendo do período de desenvolvimento em que o estresse hídrico acontece.

Os efeitos do calor e da restrição de água

Se formos analisar a fisiologia das plantas, podemos entender que o calor, junto com a restrição de água, resulta em:

• Diminuição da taxa de crescimento;
• Abertura e fechamento de estômatos;
• Taxa de transpiração, tamanho e número de brotações, produção de grãos, de fibra e pode causar a morte dos vegetais.

Por isso, a necessidade de melhorar com precisão os efeitos das mudanças climáticas sobre os rendimentos das culturas tem estimulado, nos últimos anos, um interesse renovado na compreensão, quantificação e exploração da variação genética das plantas.

E com esse objetivo, os melhoristas e fisiologistas de plantas estão trabalhando para desenvolver novas cultivares que terão um melhor desempenho sob as mudanças climáticas e um melhor aproveitamento da água, durante seu ciclo produtivo.

O desenvolvimento de cultivares mais tolerantes

Os avanços provenientes do melhoramento genético de plantas e da biotecnologia, incluindo o progresso em genômica e tecnologia da informação, são técnicas que poderão diminuir os efeitos prejudiciais do calor e da seca. 

Essas técnicas são primordiais na prática moderna de seleção artificial de plantas e dão suporte no desenvolvimento de variedades mais tolerantes às mudanças climáticas, proporcionando o aumento da produtividade das culturas, mesmo sob estresse.

As características que as plantas desenvolvem, para serem mais tolerantes à seca possibilitam o desenvolvimento dos vegetais em um ambiente de estresse hídrico. Para isso, lançam mão de adaptações genéticas, fisiológicos e de morfologia.

Adaptações vegetais para tolerância à seca

As plantas tolerantes à seca têm recursos morfológicos e fisiológicos integrados para minimizar a perda e maximizar a absorção de água. 

As plantas podem desenvolver áreas foliares reduzidas e apresentar folhas pequenas ou agulhas. Outras plantas apresentam folhas grandes, mas têm “canaletas” nas folhas para reduzir sua área foliar. Outro sinal de tolerância à seca são as folhas cobertas por cera, como se observa no abeto branco (Abies concolor). Esta cera serve para conservar a água dentro da planta. 

A presença de pelos finos nas folhas de algumas plantas, é outra adaptação que retém a umidade na superfície da folha. Além disso, as plantas podem aumentar a profundidade das raízes, e aumentar o seu volume. Com maior número de raízes e mais espalhadas, encontrar água no solo passa a ser uma tarefa mais fácil.

A cana-de-açúcar tolerante à seca já é realidade no campo

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As estratégias adotadas pelas plantas dependem da espécie vegetal, do seu ciclo de desenvolvimento, e até mesmo da variedade cultivada. Em muitos casos esses mecanismos são naturais. Em outros foram selecionados pelo melhoramento genético.

Além do mais, um enorme progresso também foi feito em direção à compreensão dos mecanismos bioquímicos e moleculares que sustentam as defesas vegetais. E isso devido às abordagens genéticas e as análises de todo o genoma das plantas, conduzidas em várias espécies.

Plantas mais eficientes no uso da água já estão no campo

Para algumas espécies comerciais já foram desenvolvidas cultivares tolerantes que estão no campo, mostrando a grande eficiência das técnicas.

Na cultura do milho, por exemplo, a ciência tem investido muita energia no melhoramento genético de variedades do cereal. Para tal, foi preciso avançar no entendimento dos mecanismos de tolerância à falta de água. Com base nesse conhecimento, o melhoramento vem avançando.

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O melhoramento genético desenvolve plantas de milho com características como:

• Controle de entrada e saída de água na célula (ajuste osmótico);
• Prolongamento da fase vegetativa;
• Produção de substâncias protetoras da célula.

Cultivares de plantas tolerantes ao calor, como o trigo, podem manter altas taxas de fotossíntese e manter o funcionamento do seu metabolismo, mesmo em estresse térmico. Essa característica faz com que não haja prejuízos para a planta e sua produção.

Pesquisas para avançar

E muito ainda vem sendo feito, principalmente na área da biotecnologia, que cada vez mais conhece o genoma das plantas e estuda as possibilidades de editar genes e aprimorar os resultados do melhoramento.

À medida que aumenta nosso conhecimento sobre a fisiologia das plantas e a complexidade dos mecanismos de tolerância à seca – e a sua relação com diferentes características – a eficiência da seleção usando abordagens moleculares e genômicas resultará na identificação de marcadores moleculares e genes ligados a características genéticas que comandam essas características.

A técnica CRISPR/Cas9

Outras pesquisas demonstram que a técnica do o CRISPR/Cas9 pode ser usada efetivamente para gerar novas mutações e desenvolver variedades de tolerância ao estresse entre diferentes fruteiras. Usando a edição de genes na planta modelo Arabdopsis thaliana foi possível controlar aumento da resposta de abertura ou fechamento dos estômatos.

Essa resposta em A. thaliana permite aos pesquisadores relacionarem as respostas em plantas que possuem os mesmos genes estudados na planta modelo, extrapolando a resposta em fruteiras.

Além disso, a identificação de genes de tolerância ao estresse pode ser considerada para a aplicação de abordagens de silenciamento ou super expressão de genes mediadas por CRISPR/Cas9 para desenvolver variedades não transgênicas melhoradas agronomicamente de importantes culturas de frutas, como maçã, banana, romã, laranja e uvas.

Avanços nas pesquisas com microRNAs também mostram que canola (Brassica napus), confere resistência ao aborto de sementes durante a floração. Ou seja, em condições de estresses as plantas não derrubam suas sementes, e isso não afeta a sua produção.

MicroRNAs (miRNA) são uma classe de moléculas de RNA de suporte único que têm 21 a 24 nucleotídeos de comprimento. Os miRNAs de plantas são frequentemente investigados como reguladores chave da expressão gênica específica durante o processo de desenvolvimento da planta, mediando uma resposta de defesa contra estresses bióticos e abióticos.

Os pesquisadores desejam também identificar miRNAs com capacidade de induzir tolerância ao estresse abiótico (resfriamento, seca e metais pesados). Isso porque, em estudos anteriores, foi observado que eles que estão envolvidos em uma ampla variedade de processos em células vegetais, incluindo desenvolvimento, transcrição, degradação de proteínas e desintoxicação.

Principais fontes:

Anwar A. e Kim J. K, Transgenic Breeding Approaches for Improving Abiotic Stress Tolerance: Recent Progress and Future Perspectives. International Journal of Molecular Science, 2020.

He M. et al., Abiotic Stresses: General Defenses of Land Plants and Chances for Engineering Multistress Tolerance. Frontiers in Plant Science, 2018.

Tesfaye K. et al., Potential benefits of drought and heat tolerance for adapting maize to climate change in tropical environments. Climate Risk Management, 2018.