Pesquisadores transformam uma erva daninha de inverno em um cultivo que protege o solo
Pesquisadores da Universidade Estadual de Illinois e seus colaboradores usaram a tecnologia CRISPR-Cas9 para acelerar a domesticação da erva-de-santa-luzia (Microstegium viburnum), uma espécie selvagem tolerante ao frio. As novas linhagens reduziram os glucosinolatos nas sementes em 75%, diminuíram sua capacidade de persistir como erva daninha e mantiveram um bom desempenho de produção. O objetivo é cultivá-la durante o inverno, entre as safras de milho e soja, protegendo o solo e gerando uma fonte adicional de óleo e biomassa.
penycress SITE.jpg171.94 KBDa esquerda para a direita: Nicholas Heller, Liangcheng Yang, Liza Gautam, Rob Rhykerd e John Sedbrook, membros da equipe da Universidade Estadual de Illinois que transformou a erva-de-santa-luzia selvagem em uma cultura de cobertura usando edição genética. Foto: Julie Mana-ay Perez / Universidade Estadual de Illinois.
Quando a colheita de milho e soja termina no Centro-Oeste dos Estados Unidos, vastas extensões de terras agrícolas permanecem praticamente sem cultivo durante todo o inverno. Sem uma cultura de cobertura protetora, essas áreas ficam mais vulneráveis à erosão, à perda de nutrientes e ao escoamento para rios e córregos.
Uma equipe interdisciplinar da Universidade Estadual de Illinois, liderada pelo geneticista John Sedbrook, está trabalhando para mudar esse cenário, transformando uma erva daninha comum, conhecida como erva-de-santa-luzia (Thlaspi arvense), em uma nova cultura de cobertura comercial.
A espécie, cujo nome científico é Thlaspi arvense, pode germinar no outono, sobreviver às baixas temperaturas do inverno e completar rapidamente seu ciclo de vida durante a primavera. Essas características permitiriam que ela fosse colhida antes do plantio da próxima cultura principal, sem substituir o milho ou a soja.
A proposta, portanto, combina duas funções que nem sempre andam juntas: manter o solo coberto durante o inverno e gerar uma nova fonte de renda para os agricultores. A Universidade Estadual de Illinois estima que quase 80 milhões de acres — mais de 32 milhões de hectares — de terras agrícolas na região central dos Estados Unidos permanecem em pousio durante grande parte da estação de crescimento.
De erva daninha a cultivo agrícola
A erva-de-santa-luzia pertence à família das brassicáceas, a mesma família que inclui canola, mostarda, brócolis e couve-flor. Suas sementes contêm óleo, mas a planta silvestre possui diversas características que dificultam seu uso como cultura comercial.
Entre essas características, destacam-se a alta concentração de glucosinolatos, compostos naturais que podem limitar o valor nutricional da farinha resultante da extração do óleo; sementes pequenas com uma casca relativamente espessa; e mecanismos de dormência que permitem que algumas sementes permaneçam no solo e germinem posteriormente como ervas daninhas.
Em vez de se basearem exclusivamente em décadas de cruzamentos e seleção convencional, os pesquisadores aplicaram uma estratégia de domesticação de novo: identificaram as características indesejáveis da planta silvestre e editaram diretamente os genes associados a elas.
O trabalho teve início por volta de 2012 e reuniu especialistas em genética, agronomia, ciências biológicas, processamento de biomassa e produção animal da Universidade Estadual de Illinois, juntamente com pesquisadores do Departamento de Agricultura dos EUA e de outras instituições. A iniciativa recebeu um financiamento federal acumulado de quase US$ 23 milhões.
Mutações combinadas por CRISPR
No estudo publicado na Nature Plants, cientistas combinaram múltiplas mutações obtidas com a tecnologia CRISPR-Cas9 em uma única planta. Essa estratégia permitiu combinar diversas características de domesticação sem causar perda significativa na produção de sementes.
Um dos principais resultados foi uma redução de aproximadamente 75% no teor de glucosinolatos, alcançada pela combinação de mutações em genes reguladores como MYB28/HAG1 e MYC3.
Os pesquisadores também incorporaram características projetadas para produzir uma composição de sementes mais semelhante à da canola "duplo zero": baixo teor de ácido erúcico e níveis mais baixos de glucosinolatos. Eles também reduziram a fibra das sementes, o que pode melhorar a utilização da fração proteica restante após a extração do óleo.
Outra mudança relevante afetou o gene TT8. Sua inativação diminuiu a dormência e alguns dos mecanismos de proteção do tegumento da semente. Isso reduz a probabilidade de as sementes permanecerem viáveis no solo por longos períodos e o subsequente reaparecimento da espécie como erva daninha.
De forma geral, as linhagens resultantes combinam uma composição de sementes mais favorável, menor persistência no ambiente agrícola e rendimentos comparáveis aos materiais de referência utilizados no estudo.
Três culturas comerciais em dois anos
O ciclo curto e a tolerância ao frio da erva-de-santa-luzia permitem que ela seja inserida entre duas culturas de verão de ciclo completo.
Em uma rotação típica, ela pode ser plantada após a colheita do milho no outono, permanecer como cobertura do solo durante o inverno e ser colhida no final da primavera. Imediatamente depois, o agricultor pode plantar soja ou outra cultura de verão.
Dessa forma, o sistema pode produzir três culturas comerciais em dois anos, mantendo raízes vivas e cobertura do solo durante uma estação em que muitos campos permanecem sem vegetação.
Essas plantas podem diminuir o impacto direto da chuva no solo, reter alguns dos nutrientes remanescentes da cultura anterior, contribuir com matéria orgânica e ajudar a limitar a erosão e o escoamento superficial.
O professor de ciência do solo Rob Rhykerd explicou esse processo em uma comunicação anterior da Universidade Estadual de Illinois: “Quando uma gota de chuva atinge a superfície do solo nu, ela desloca partículas”, observou Rhykerd.
Além de seus efeitos no solo, a cobertura de inverno pode fornecer abrigo e recursos para insetos e outros organismos durante períodos de baixa vegetação agrícola. Óleo para Combustíveis e Matérias-Primas Renováveis
As sementes de centelha asiática contêm um óleo que pode ser usado como matéria-prima para biodiesel e combustível de aviação sustentável. Potenciais usos em biolubrificantes, bioplásticos e outros produtos químicos renováveis também estão sendo estudados.
Após a extração do óleo, a farinha ou torta residual contém proteína e pode ser usada na alimentação animal, desde que sua composição e segurança atendam aos requisitos pertinentes. A biomassa restante também foi avaliada como insumo para a produção de biogás ou como material absorvente para instalações pecuárias.
Essas aplicações fazem parte das projeções apresentadas no vídeo e das linhas de desenvolvimento do projeto; nem todas representam produtos atualmente comercializados, nem foram todas avaliadas diretamente no artigo da Nature Plants.
John Sedbrook resumiu anteriormente o duplo objetivo ambiental e econômico da iniciativa: “Isso não só ajudaria o meio ambiente, como também produziria sementes oleaginosas que os agricultores poderiam vender”, afirmou o pesquisador.
Ao contrário da produção de combustíveis pela extração de carbono fóssil, o óleo viria de plantas que capturaram recentemente dióxido de carbono da atmosfera. No entanto, a pegada climática final dependerá de todo o sistema de produção, incluindo fertilização, maquinário, processamento, transporte e mudanças no uso da terra.
