Pesquisadores aplicam edição genética para melhorar a capacidade de fixação de nitrogênio na soja
Pesquisadores dos EUA estão desenvolvendo métodos inovadores para melhorar a capacidade de fixação de nitrogênio da soja. Utilizando a edição genética com CRISPR, buscam retardar a maturação dos nódulos radiculares para que a fixação biológica de nitrogênio continue atendendo às necessidades da planta em estágios avançados, reduzindo assim a dependência de fertilizantes sintéticos.
Este projeto de dois anos, financiado pelo Departamento de Agricultura dos EUA com 300.000 dólares, poderá aumentar os rendimentos e melhorar a sustentabilidade agrícola.
As projeções do USDA mostram que o comércio global de soja provavelmente aumentará até 22% nos próximos anos. Este aumento na procura deve-se principalmente ao crescimento populacional no sul global e à utilização generalizada de biodiesel, que é feito a partir de óleo de soja.
À medida que aumenta a necessidade de soja, pesquisadores da Universidade Estatal do Dakota do Sul (SDSU) procuram formas de melhorar o valor e a produtividade da cultura para os agricultores da região.
Soja e Nitrogênio
Uma das razões pelas quais a soja se tornou uma indústria multibilionária e um pilar na rotação de culturas nos EUA é a capacidade da planta de absorver nitrogênio da atmosfera, fixando-o em suas estruturas radiculares – conhecidas como “nódulos” – com a ajuda de bactérias e depois, usá-lo como nutriente. Isto reduz os custos de insumos e também reduz as necessidades de manejo das culturas.
No entanto, para algumas variedades de alto rendimento, quando a planta de soja atinge fases avançadas de crescimento, não consegue fornecer a quantidade necessária de nitrogênio – um nutriente essencial – devido à acumulação de proteínas de armazenamento nas sementes. Para compensar esta situação, os agricultores aplicam fertilizantes sintéticos, que são prejudiciais para o ambiente e consomem muita energia, para garantir que a cultura satisfaça as suas necessidades. A soja também esgota o precioso nitrogênio do solo à medida que ele continua a crescer, causando problemas de solo aos agricultores nos anos posteriores.
Os pesquisadores da Faculdade de Ciências Naturais da SDSU, Senthil Subramanian e Bhanu Petla, acreditam que podem ter uma solução. Eles levantam a hipótese de que, ao atrasar a maturação dos nódulos radiculares nas plantas de soja, o processo natural de fixação biológica de nitrogênio poderia continuar a atender às necessidades nutricionais da planta mais tarde no ciclo de crescimento. Isto garantiria que os rendimentos permanecessem elevados sem a aplicação de fertilizantes sintéticos.
“Nas variedades de soja de alto rendimento, o nitrogênio fornecido pela fixação de nitrogênio não é suficiente para atender às necessidades da planta durante a fase reprodutiva”, explicou Petla. “As plantas precisam absorver nitrogênio do solo ou ser fornecido por meio de fertilizantes, resultando em problemas de saúde do solo e altos custos de insumos. “Gostaríamos de resolver isso atrasando a maturação dos nódulos para fornecer nitrogênio durante os estágios reprodutivos”.
“Esperamos encontrar, ou gerar através da edição do genoma, soja com maior capacidade de fixação de nitrogênio”, disse Subramanian. “A capacidade dos associados de pós-doutorado da SDSU de servirem como co-pesquisadores principais em propostas de financiamento ajudou muito o desenvolvimento.
Os dados preliminares para este projeto vêm de um projeto de pesquisa NSF-EPSCoR e de uma Experiência de Pesquisa para Estudantes de Graduação (REU) da estudante de graduação da SDSU, Marissa Dreissen.
Segundo pesquisas anteriores, a fixação biológica de nitrogênio fornece, no máximo, 60% das necessidades de nitrogênio da planta. A chave para a fixação biológica de nitrogênio está nas raízes da soja. À medida que a planta cresce, também crescem os seus nódulos – pequenas estruturas em forma de bola encontradas nas raízes que formam uma simbiose com bactérias fixadoras de nitrogénio, ajudando a fornecer à planta as suas necessidades de nitrogénio. O número de nódulos por planta de soja, segundo pesquisas, é um componente crítico para o desempenho da cultura. Quanto mais nódulos, mais nitrogênio pode ser fornecido, conduzindo a rendimentos mais elevados e, por sua vez, a mais valor para os agricultores.
“Nossa hipótese é que genótipos de soja com maior número de nódulos com maturação retardada podem fixar nitrogênio nas fases reprodutivas e ajudar a atender às necessidades de nitrogênio de maneira sustentável”, disse Petla.
O laboratório de Subramanian mostrou em pesquisas anteriores que diferentes níveis de dois tipos diferentes de hormônios de crescimento, auxina e citocinina, promovem a formação de nódulos e retardam a maturação. Os pesquisadores acreditam que variações genéticas em cultivares de soja que levam a níveis reduzidos de auxina, mas a níveis mais elevados de citocinina, podem resultar em maior número de nódulos com maturação retardada. Isto permitiria que a fixação biológica de nitrogênio satisfizesse as necessidades de nitrogênio da planta mais tarde no ciclo de crescimento, reduzindo assim - ou mesmo eliminando - a necessidade de fertilizantes sintéticos dispendiosos.
Para encontrar as características desejadas, os pesquisadores editarão geneticamente as sequências do genoma da planta de soja com CRISPR – uma tecnologia avançada de edição genética. Especificamente, eles procurarão exatamente quais genes hormonais são responsáveis pelo número de nódulos, atraso na maturação dos nódulos e envelhecimento na soja. Isso exigirá testar mais de 1.000 genomas diferentes. Depois que os pesquisadores identificarem as variantes genéticas desejadas, eles trabalharão com os melhoristas de soja para incorporar essas características em cultivares de soja de alto rendimento.
“Este projeto de concessão inicial avaliará a variação genética natural disponível no germoplasma da soja nos genes da via de biossíntese de auxinas e citocininas e avaliará suas capacidades de nodulação e fixação de nitrogênio”, disse Petla.
O projeto funcionará em três fases e contribuirá muito para a compreensão do papel que as respostas hormonais têm no desenvolvimento dos nódulos radiculares e no crescimento da soja.
“Este projeto nos ajudará a identificar a variação natural no atraso na maturação dos nódulos durante os estágios reprodutivos”, disse Petla. "No futuro, a transferência desta característica para variedades de elite melhorará o rendimento e reduzirá a demanda de nitrogênio do solo pelas plantas."
Este projeto de dois anos, no valor de US$ 300.000, intitulado “Avaliação de variações genéticas naturais e editadas pelo genoma em genes das vias de auxina e citocinina para fixação ideal de nitrogênio na soja”, está sendo financiado por meio de uma doação do Instituto da Organização Nacional para Agricultura e Alimentação da USDA.
