Pesquisadores da Universidade de Oxford, da Universidade Agrícola de Nanjing e do Instituto de Genética e Biologia do Desenvolvimento (Academia Chinesa de Ciências) finalmente identificaram o principal regulador em plantas que equilibra o crescimento das raízes e da parte aérea quando os nutrientes são limitados. Em testes de campo, plantas de arroz com uma versão natural e aprimorada do gene apresentaram aumentos de produtividade de até 24%. A descoberta, publicada na prestigiosa revista Science, poderá, em última análise, melhorar a produtividade agrícola global, reduzindo a dependência de fertilizantes sintéticos.

   A fertilização nitrogenada é essencial para a agricultura moderna, mas tem um custo ambiental elevado, contribuindo para as emissões de gases de efeito estufa, poluição da água e degradação do solo. As culturas normalmente respondem à deficiência de nitrogênio investindo mais no crescimento das raízes para buscar nutrientes, muitas vezes em detrimento do desenvolvimento da parte aérea e da produção de grãos. Embora adaptativo na natureza, esse equilíbrio limita a produtividade agrícola.

   Até agora, o mecanismo molecular responsável por essa mudança no desenvolvimento era desconhecido. No novo estudo, os pesquisadores não apenas identificaram o gene responsável, mas também demonstraram que a manipulação desse gene no arroz pode manter o crescimento da parte aérea e a produtividade mesmo quando os níveis de nitrogênio são baixos.

   Em experimentos controlados em estufa e em campo, os pesquisadores mostraram que plantas de arroz sem uma versão funcional de um gene chamado WRINKLED1a perderam a capacidade de investir mais no crescimento das raízes em condições de baixo nitrogênio e apresentaram crescimento reduzido da parte aérea quando o nitrogênio era abundante. Por outro lado, plantas geneticamente modificadas para superexpressar o gene, apresentaram crescimento mais forte tanto nas raízes quanto na parte aérea, bem como uma proporção raiz/parte aérea mais constante, mesmo com a variação dos níveis externos de nitrogênio.


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ersão superior da WRINKLED1a (planta do lado direito em cada par), que aumentou a produtividade do arroz tanto em níveis baixos quanto altos de aplicação de fertilizantes. Crédito: Professor Shan Li.

   Ao analisar mais de 3.000 cultivares de arroz, a equipe identificou uma versão natural do gene que se expressa com mais intensidade e utilizou técnicas tradicionais de melhoramento genético para cruzar essa versão com plantas de arroz portadoras de uma versão mais fraca. Em três ensaios de campo realizados nas províncias de Hainan e Anhui, na China, as plantas de arroz com esse alelo melhorado mantiveram uma relação raiz/parte aérea mais estável em diferentes condições de nitrogênio e apresentaram maiores rendimentos com baixa aplicação de fertilizantes. Isso resultou em um aumento de 23,7% no rendimento com baixa aplicação de fertilizante nitrogenado (120 kg/ha) e um aumento de 19,9% com alta aplicação de fertilizante (300 kg/ha).

   O autor correspondente, Dr. Zhe Ji (Departamento de Biologia da Universidade de Oxford e Centro de Pesquisa Calleva), afirmou: "Nosso estudo demonstra claramente que esse regulador é um alvo promissor para o melhoramento sustentável de culturas. Foi extraordinário observar a diferença que a versão melhorada do gene teve nos rendimentos do arroz durante nossos ensaios de campo."

   A equipe demonstrou que o WRINKLED1a desempenha funções distintas na parte aérea e na raiz. Na parte aérea, atua como um ativador, ligando um gene regulador chave (NGR5) que promove a ramificação da parte aérea. Nas raízes, WRINKLED1a ativa genes envolvidos na absorção de nitrogênio. Também interrompe a formação de um complexo proteico que normalmente impede o acúmulo de auxina – um hormônio vegetal que promove o crescimento das raízes. Curiosamente, WRINKLED1a não interrompe esse complexo proteico na parte aérea, demonstrando que suas funções são específicas de cada tecido.

   O arroz é o alimento básico para mais da metade da população mundial (FAO), mas as colheitas globais estão ameaçadas pelas mudanças climáticas. Estudos indicam que cada aumento de 1°C durante a estação de cultivo do arroz pode reduzir a produtividade em mais de 8%. Os fertilizantes nitrogenados representam um dos maiores custos de produção de arroz – cerca de um terço dos custos totais de produção para alguns agricultores – e seu uso contribui para as mudanças climáticas. Ao permitir que os agricultores mantenham altas produtividades e, ao mesmo tempo, reduzam sua dependência de fertilizantes, esses novos resultados podem ter um impacto significativo na segurança alimentar global.

FOTO: Diagrama que mostra como WRINKLED1a regula o crescimento da parte aérea e das raízes do arroz. Crédito: Caroline Wood, Universidade de Oxford.

   O autor principal, Dr. Shan Li (Universidade Agrícola de Nanjing, China), acrescentou: “O gene WRINKLED1a ajuda o arroz a evitar a usual compensação entre ‘mais raízes e menos brotos’ sob limitação de nitrogênio, permitindo produtividades estáveis ​​com menor aporte de nitrogênio. O próximo passo é investigar se genes homólogos em outras culturas, como trigo e milho, podem ser aproveitados para alcançar resultados semelhantes.”

   O estudo “OsWRI1a coordena respostas sistêmicas de crescimento à disponibilidade de nitrogênio no arroz” foi publicado na revista Science (https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb8384).