Nas próximas décadas, a humanidade terá que alimentar bilhões de pessoas a mais em um planeta sob pressão. ondas de calor extremas, secas intensas e solos degradadosDiante desse cenário, a forma como cultivamos e compreendemos as plantas está mudando rapidamente, e uma das linhas de pesquisa mais fascinantes é a das chamadas "plantas que respiram nitrogênio".
Por trás dessa ideia impressionante, esconde-se um desafio gigantesco: fazer com que as plantações sejam capazes de... Aproveitar o nitrogênio do ar e reduzir a dependência de fertilizantes químicos.Ao mesmo tempo que se adaptam a um clima mais quente, seco e variável, centros de referência como o Centro de Biotecnologia e Genômica Vegetal (CBGP) já estão totalmente empenhados nesse desafio, combinando biotecnologia, ecologia e agricultura sustentável para garantir a produção de alimentos em um mundo em constante transformação.
Por que o nitrogênio é tão importante para as plantas?
Pode parecer exagero, mas sem nitrogênio não haveria vida como a conhecemos, pois esse elemento é fundamental para a formação das plantas. Proteínas, enzimas e pigmentos necessários para a fotossíntese.Sem uma fonte adequada de nitrogênio, uma cultura não consegue crescer bem, produzir biomassa ou oferecer rendimentos aceitáveis.
Embora o ar que respiramos seja composto por cerca de 78% de gás nitrogênio (N₂)As plantas não conseguem utilizá-lo diretamente. O nitrogênio atmosférico é muito estável e a maioria dos seres vivos não possui as ferramentas bioquímicas necessárias para decompor essa molécula e transformá-la em compostos utilizáveis, como amônio ou nitrato.
Em condições naturais, as plantas obtêm nitrogênio principalmente do solo, na forma de íons nitrato (NO₃⁻) e amônio (NH₄⁺)Esses nutrientes provêm da decomposição da matéria orgânica ou de processos de fixação biológica realizados por microrganismos. Quando o solo é pobre em nitrogênio, as plantas sofrem de clorose, crescem mal e sua produtividade cai drasticamente.
Para compensar essa limitação, a agricultura moderna tem se baseado em fertilizantes sintéticos que fornecem grandes quantidades de nitrogênio. O problema é que o modelo se tornou Insustentável devido ao alto consumo de energia, à pegada de carbono e à poluição. do solo, da água e da atmosfera associados ao uso excessivo de fertilizantes químicos.
Grande parte da pesquisa atual concentra-se em compreender e aproveitar melhor as estratégias naturais pelas quais alguns organismos e algumas associações planta-micróbio são capazes de Fixar o nitrogênio atmosférico e torná-lo disponível para os ecossistemas..
Fixação biológica de nitrogênio: o truque das bactérias
Embora as plantas não possam usar o gás nitrogênio diretamente, certas bactérias podem, graças a um uma enzima altamente especializada chamada nitrogenaseEssa proteína é capaz de decompor o N₂ atmosférico e transformá-lo em compostos nitrogenados que, com o tempo, passam a fazer parte da cadeia alimentar.
Essas bactérias fixadoras de nitrogênio são encontradas tanto livremente no solo quanto em estreita associação com as raízes de certas espécies de plantas. Algumas delas estabelecem relações simbióticas muito próximas com plantas, vivendo dentro de estruturas especiais. que se formam nas raízes e permitem uma troca de recursos muito bem ajustada.
Nas chamadas plantas fixadoras de nitrogênio simbióticas, a planta hospeda a bactéria e fornece a ela açúcares obtidos por meio da fotossíntese, enquanto o microrganismo retribui o favor. fornecendo nitrogênio “novo” da atmosferaEssa troca é tão eficiente que pode suprir grande parte das necessidades da safra e enriquecer o solo para futuras plantações.
Quando essas plantas associadas a bactérias completam seu ciclo de vida e seus restos são incorporados ao solo, o nitrogênio que elas acumularam em seus tecidos é liberado por meio de um processo conhecido como mineralização de nitrogênioA matéria orgânica se decompõe e o nitrogênio orgânico é transformado em amônio e nitrato, formas que outras plantas podem absorver facilmente.
Assim, as comunidades vegetais que incluem fixadores de nitrogênio desempenham um papel crucial na fertilidade natural de muitos ecossistemas e sistemas agrícolasreduzindo a necessidade de fornecer tanto fertilizante externo.
Plantas que “respiram” nitrogênio: leguminosas, nódulos e simbiose
O grupo de plantas mais conhecido associado às bactérias fixadoras de nitrogênio são as leguminosas, uma família enorme que inclui culturas de uso comum como... ervilhas, feijões, lentilhas, grão-de-bico, favas ou trevoAo longo da evolução, essas espécies desenvolveram a capacidade de formar nódulos em suas raízes para fornecer abrigo a bactérias específicas.
Nessa relação, a planta emite sinais químicos na zona radicular que atraem certas bactérias do solo capazes de fixar nitrogênio. Uma vez estabelecido o contato, a raiz começa a se formar. estruturas especializadas chamadas nódulosque funcionam como pequenos “reatores biológicos” protegidos, onde as bactérias vivem e trabalham em condições adequadas.
Dentro desses nódulos, as bactérias fixam o nitrogênio atmosférico e o transformam em compostos nitrogenados que chegam à planta, enquanto a planta envia açúcares e outros compostos para as bactérias, mantendo-as ativas. Embora esses microrganismos não realizem fotossíntese, eles dependem da energia química gerada pela planta graças à luz solar.
O resultado prático é que a cultura obtém uma fonte contínua de nitrogênio sem a necessidade de tantos fertilizantes externos, e parte desse nitrogênio permanecerá no solo quando a planta morrer ou quando os restos vegetais forem incorporados por meio de práticas agrícolas. De fato, A decomposição dos restos de leguminosas enriquece significativamente o teor de nitrogênio do solo..
Esse mecanismo explica por que as leguminosas são frequentemente usadas em rotações de culturas ou como adubos verdes: elas não apenas produzem alimentos, mas também ajudam a para melhorar a fertilidade do terreno e apoiar sistemas agrícolas mais sustentáveis. no médio e longo prazo.
Distribuição e diversidade de plantas fixadoras de nitrogênio
O papel ecológico das plantas associadas a bactérias fixadoras de nitrogênio é tão importante que diversas equipes científicas têm estudado detalhadamente sua distribuição em larga escala. Nos Estados Unidos, pesquisadores de vários centros, como o Museu de História Natural da Flórida e as universidades da Louisiana e do MississippiEles analisaram registros de espécies nativas e invasoras em dezenas de locais para melhor compreender esse padrão.
À primeira vista, pode-se pensar que em solos pobres em nitrogênio deveria haver maior abundância e diversidade de plantas fixadoras de solovisto que sua vantagem competitiva seria maior em ambientes com disponibilidade limitada desse nutriente. No entanto, análises detalhadas relativizam significativamente essa ideia aparentemente lógica.
Ao comparar diferentes regiões, os pesquisadores observaram que o número de plantas fixadoras de nitrogênio tendia a... aumento de áreas com menor disponibilidade de nitrogênio no soloIsso está de acordo com a hipótese clássica. Mas eles também observaram que, à medida que os ambientes se tornavam mais secos, a presença geral dessas plantas diminuía.
A descoberta mais surpreendente foi que, ao analisarem a diversidade de organismos fixadores de nitrogênio nativos, detectaram um padrão diferente: A diversidade de espécies nativas fixadoras de nutrientes do solo cresceu notavelmente em regiões áridasindependentemente da quantidade de nitrogênio presente no solo. Ou seja, onde as condições hídricas são mais severas, a variedade de plantas nativas fixadoras de nitrogênio pode ser muito grande.
Esses resultados mostram que, em grande escala, a distribuição de plantas que hospedam bactérias fixadoras de nitrogênio depende não apenas do nitrogênio do solo, mas de uma combinação complexa de fatores como: Disponibilidade de água, história evolutiva e dinâmica das comunidades vegetaisCompreender esses padrões é fundamental para projetar sistemas agrícolas mais adequados a cada região.
O papel do CBGP: biotecnologia vegetal diante das mudanças climáticas
Embora se esteja progredindo na compreensão ecológica das plantas fixadoras de nutrientes pelas raízes, centros de pesquisa como o Centro de Biotecnologia e Genômica Vegetal (CBGP), ligados à Universidade Politécnica de Madrid, estão se concentrando em outra frente: a adaptação das culturas ao clima extremo que já estamos vivenciando e que se intensificará nas próximas décadas.
As previsões indicam que, em meados do século, aproximadamente 9.700 milhão de pessoas Num planeta mais quente, mais seco e sujeito a eventos climáticos extremos muito mais frequentes, o ano de 2024 já foi um dos mais quentes de que há registo, e na Europa dezenas de milhares de mortes foram associadas a ondas de calor, sendo a Espanha um dos países mais afetados.
Diante desse cenário, na CBGP eles estudam de forma abrangente. Como as plantas crescem e como interagem com os microrganismos em seu ambiente. e como elas reagem a mudanças ambientais, como aumento da temperatura, seca prolongada ou salinização dos solos agrícolas.
Um dos principais objetivos do centro é desenvolver novas variedades de culturas ou selecionar, dentre as existentes, aquelas que sejam capazes de manter rendimentos aceitáveis sob estresse ambientalIsso implica não apenas tolerar condições adversas, mas fazê-lo sem depender tanto de insumos externos, como fertilizantes e água.
Para alcançar esse objetivo, os pesquisadores analisam os mecanismos moleculares que permitem que certas plantas resistam melhor aos estresses ambientais. Eles identificam proteínas de defesa, vias de sinalização e genes-chave que são ativadas sob condições extremas e usam essa informação para gerar o que chamam de "provas de conceito".
Nesses testes, eles criam plantas transgênicas que acumulam certas proteínas ou ativam mecanismos de tolerância específicos, a fim de verificar se elas realmente melhoram seu desempenho diante da seca, do calor ou da salinidade. Dessa forma, Eles validam experimentalmente quais estratégias são mais eficazes. antes de considerar uma aplicação em larga escala.
Culturas mais resistentes: tomates, brássicas e segurança alimentar
Um dos resultados notáveis dessa abordagem foi o desenvolvimento de Plantas de tomate com alta tolerância ao salEste é um problema cada vez mais comum em áreas agrícolas onde a irrigação e a evaporação intensa concentram os sais no solo. A equipe do CBGP desenvolveu variedades transgênicas mais resistentes a esses níveis de salinidade.
Esses tomates resistentes já deram origem a Pedido de patente europeiaA ideia é estender a tecnologia a outras culturas particularmente sensíveis à salinidade, como ervilhas, feijões, milho ou morangos. Se bem-sucedida, essa tecnologia representaria uma enorme vantagem em áreas onde a água de irrigação é de qualidade limitada ou os solos estão degradados.
Ao mesmo tempo, o grupo está trabalhando na transferência desses avanços para as chamadas brassicas, uma família de plantas que inclui repolho, brócolis e outros vegetais essenciais na dieta. Aumentar a resiliência desses vegetais básicos significaria salvaguardar uma parte muito importante da segurança alimentar em um ambiente climático incerto.
No entanto, não é tão simples quanto apenas introduzir proteínas de defesa e pronto. Muitas dessas proteínas pertencem a famílias que também contêm alérgenos alimentaresIsso exige precauções extras. Nem todas as proteínas imunológicas são alergênicas, mas algumas podem desencadear reações em indivíduos sensíveis.
Por esse motivo, o CBGP possui uma equipe especializada em alérgenos que avalia minuciosamente essas proteínas. Seu trabalho se concentra na identificação de alérgenos. Quais características estruturais tornam uma proteína um potencial alérgeno? e quais não são, para que soluções biotecnológicas seguras para consumo humano possam ser desenvolvidas.
Essa abordagem rigorosa é essencial para que a inovação em culturas geneticamente modificadas ou melhoradas tenha um lugar real no mercado, garantindo a segurança alimentar e o desenvolvimento responsável de novas variedades que ajudam a combater as mudanças climáticas sem criar problemas adicionais.
Em direção a cereais que “respiram” nitrogênio do ar
Dentre os projetos mais ambiciosos em andamento no CBGP, destaca-se o liderado pelo pesquisador. Luís RubioFinanciado pela Fundação Gates. Seu objetivo é tão simples de explicar quanto difícil de alcançar: tornar os cereais capazes de capturar e metabolizar o nitrogênio do arreduzindo drasticamente a dependência de fertilizantes químicos.
Ao contrário das leguminosas, culturas básicas como arroz, trigo ou milho não formam naturalmente associações simbióticas tão poderosas com bactérias fixadoras de nitrogênio. Elas também não possuem o mecanismo interno para fixar N₂ por conta própria, visto que Eles não possuem a enzima nitrogenase. que certas bactérias possuem.
A equipe de Rubio usa como modelo uma bactéria fixadora de nitrogênio ligada ao fermento de padeiro, conhecida como Azotobacter vinelandii (frequentemente mal representadas em alguns meios de comunicação), capazes de fixar nitrogênio de forma eficiente. A ideia é transferir os genes envolvidos na fixação de nitrogênio dessas bactérias para as plantas.
Em laboratório, pesquisadores trabalham na introdução e expressão coordenada desses genes bacterianos em células vegetais, com o objetivo de permitir que cereais... ativar internamente um sistema funcional de fixação de nitrogênioÉ um enorme desafio, porque a nitrogenase é muito complexa e extremamente sensível ao oxigênio, exigindo, portanto, condições muito específicas para funcionar.
Se esse objetivo for alcançado, mesmo que parcialmente, poderá representar uma revolução para a agricultura mundial: os cereais poderiam suprir grande parte de suas necessidades de nitrogênio por conta própria, reduzindo o uso de fertilizantes sintéticos e, consequentemente, a produção agrícola. poluição do solo, da água e do ar associada à sua produção e aplicação..
Fertilizantes químicos e sustentabilidade agrícola
Atualmente, os fertilizantes nitrogenados são essenciais para manter altas produtividades. produção global de cereaisGraças a eles, foi possível alimentar uma população em constante crescimento, mas essa dependência tem um custo ambiental cada vez mais difícil de suportar.
A síntese industrial de fertilizantes consome grandes quantidades de energia e emite gases de efeito estufa; seu uso intensivo no campo causa poluição atmosférica causada por emissões de óxidos de nitrogênio e amôniae o escoamento superficial transporta nitratos para rios, aquíferos e mares, favorecendo processos como a eutrofização.
Além disso, o uso excessivo de fertilizantes e certas práticas de manejo podem acelerar o processo. degradação dos solos agrícolasreduzindo sua capacidade de reter água e nutrientes e prendendo os agricultores em um ciclo vicioso de dependência de insumos externos.
Segundo pesquisadores do projeto de cereais autopolinizáveis, uma redução significativa no uso desses fertilizantes poderia abrir caminho para uma agricultura muito mais sustentávelMenos fertilizantes significam menos emissões associadas à sua fabricação, menos poluição da água e uma maior chance de recuperação de solos degradados.
O objetivo final é desenvolver variedades de arroz, trigo e milho capazes de em grande parte autofecundadosutilizando nitrogênio do ar como fonte primária. No entanto, a própria equipe reconhece que esse é um objetivo de enorme complexidade tecnológica, que provavelmente exigirá décadas de pesquisa antes de ser implementado em larga escala no campo.
Infraestrutura de última geração: estufas e rizotrons.
Para realizar esses projetos, o CBGP dispõe de instalações de aproximadamente 1.900 m² dedicados ao cultivo de plantas em condições controladas.Um elemento central dessa infraestrutura é uma estufa de aproximadamente 1.200 m² equipada com sistemas avançados de climatização e iluminação.
Essas estufas permitem o cultivo de diferentes espécies de interesse agrícola ou modelos experimentais em condições perfeitamente controladas. temperatura, luz, umidade e composição do substratoIsso permite a reprodução de cenários de estresse causados por calor, seca ou salinidade para avaliar o comportamento de plantas modificadas ou selecionadas.
A instalação conta com módulos de contenção do tipo P2, projetados especificamente para o trabalho com plantas transgênicas. Nesses espaços, a temperatura pode ser controlada em uma ampla faixa, aproximadamente entre 10 e 45ºCAlgo fundamental para simular ondas de calor ou condições moderadamente frias.
Além disso, a estufa incorpora um sistema de fenotipagem digital automatizada Com robôs que se movem pelos corredores para capturar imagens e dados das plantas, esse sistema permite o monitoramento preciso e em larga escala de aspectos como crescimento, estado hídrico e gravidade dos sintomas de estresse.
Outro elemento muito interessante da infraestrutura são os chamados rizotrons, estruturas compostas de placas transparentes que expõem o sistema radicularGraças a elas, é possível obter imagens detalhadas das raízes, medir seu crescimento e espessura e analisar como elas reagem a diferentes produtos ou condições ambientais.
A combinação dessas estufas controladas, sistemas de análise robótica e rizotrons torna o centro um ambiente ideal para Teste novas variedades e tecnologias antes de ampliar seu uso.Além disso, essas instalações não são reservadas exclusivamente para equipes internas: elas também estão abertas a projetos de outras organizações públicas e privadas interessadas em responder aos desafios agrícolas do futuro.
Toda essa pesquisa sobre proteínas de resistência, simbioses fixadoras de nitrogênio e cereais capazes de utilizar o nitrogênio atmosférico aponta para um modelo agrícola onde as plantas Eles trabalham mais de perto com microorganismos e com a própria biologia deles. Produzir mais com menos insumos externos. Embora muitas dessas metas levem anos ou décadas para se tornarem realidade em larga escala, cada avanço nos aproxima um pouco mais da possibilidade de culturas que, figurativamente falando, "respirem" nitrogênio do ar e sustentem o abastecimento global de alimentos em um planeta sob pressão climática.
