Novas técnicas de detecção podem detectar tolerância à seca em culturas antigas e podem informar novos programas de melhoramento

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Fatores influentes na eficiência transpiratória (TE):resposta a estímulos de fechamento (RCS) e densidade estomática (SD) em uma folha. Crédito:Novo Fitologista (2024). DOI:10.1111/nph.19619

A seca é o estresse ambiental mais devastador que os agricultores enfrentam em todo o mundo. Com as pressões acrescidas das alterações climáticas, os anos de seca tornaram-se menos previsíveis, mais frequentes e mais severos.

Portanto, a água não só é fundamental para a produção de alimentos suficientes para alimentar a população mundial — que se prevê alcance de 9,7 mil milhões de pessoas até 2050 — como também precisamos de aumentar o rendimento das colheitas utilizando menos água.

A chave para uma agricultura sustentável poderá residir no legado de parentes selvagens de culturas essenciais como o trigo e a cevada. Estes tesouros genéticos subexplorados abrigam mecanismos de tolerância ao estresse moldados por gerações de seleção natural em ambientes adversos.

Os investigadores há muito que reconhecem os parentes selvagens como uma fonte de tolerância ao stress em estudos genéticos, mas a maioria destas descobertas acontece por acaso ou tem sido rara.

Existem tantas diferenças entre a estrutura e a fisiologia das variedades de culturas comerciais e dos seus parentes silvestres que os métodos tradicionais de triagem são inadequados para identificar, analisar e integrar culturas silvestres em programas de melhoramento.

Nossa pesquisa, publicada em New Phytologist , estabelece uma abordagem sistemática usando técnicas de imagem não invasivas e de alto rendimento para decidir quais linhas selvagens possuem características benéficas para o melhoramento das culturas e devem ser consideradas para reprodução, afastando-se de descobertas coincidentes.

Olhar além do olho nu

Até recentemente, a melhor maneira de determinar o desempenho das culturas em grandes experiências de campo era plantar diferentes linhas de culturas e avaliá-las com base na sua aparência e na quantidade de grãos que produziam.

Mas os parentes selvagens tendem a deixar cair as suas sementes quando totalmente maduras, tornando difícil julgá-las pelo seu rendimento de grãos, por isso os criadores muitas vezes pensam duas vezes antes de trabalhar com elas.

As tecnologias inovadoras de detecção remota estão agora a mudar a forma como descrevemos o desempenho das culturas. É como ver além do que o olho nu pode captar para detectar sinais das muitas ondas de luz que as plantas refletem da luz solar ou emitem como fluorescência ou calor.

Como forma de radiação, o calor é emitido em comprimentos de onda além do que os humanos podem ver, mas pode ser medido por meio de detectores térmicos.

A luz solar refletida fornece muitas informações sobre a eficiência da fotossíntese das plantas; usando luz solar, dióxido de carbono e água para produzir oxigênio e energia na forma de açúcar. Isso pode ser medido com precisão usando sensores de imagem hiperespectrais que coletam e processam informações de todo o espectro eletromagnético em centenas ou milhares de bandas espectrais estreitas.

Embora o uso de sensoriamento remoto para estudar características de plantas já seja popular, nós o impulsionamos investigando a eficiência com que a cultura usa a água e combinando essas informações com tecnologias hiperespectrais e de imagem térmica.

Compreender os mecanismos que as culturas antigas utilizam para responder às flutuações de temperatura ajudar-nos-á a descobrir oportunidades inexploradas para o melhoramento de plantas e a tornar a nossa investigação mais direccionada.

Em última análise, o objectivo é desenvolver novas variedades comerciais a partir de linhas selvagens ambientalmente adaptadas, abrindo um caminho para uma agricultura sustentável ao superar a barreira actual de determinar quais linhas selvagens têm características de adaptação à seca inexploradas.

Isto é muitas vezes difícil de determinar porque as características desejáveis podem ser diferentes dependendo do objetivo de criação e do local de cultivo.

Respirar e beber pelo mesmo canudo

As plantas perdem água por meio de um processo conhecido como transpiração, que ocorre pelos estômatos, as mesmas passagens que permitem que o dióxido de carbono entre na superfície das folhas.

Utilizar a mesma entrada e saída significa que existe um compromisso inevitável entre a conservação de água e a obtenção de carbono suficiente para produzir grãos saudáveis através da fotossíntese.

Portanto, a nossa técnica de triagem abraça esta compensação para procurar plantas capazes de suportar longos períodos de escassez de água, mas que possam retomar o crescimento saudável depois de reidratadas.

Tal como em “Dune”, onde as pessoas se adaptaram para lidar com condições muito secas, as plantas de ambientes desérticos desenvolveram as suas próprias formas de lidar com condições de seca.

Se pensarmos na transpiração humana como a transpiração das plantas, as plantas que estão bem adaptadas às condições áridas desenvolveram múltiplos mecanismos que lhes permitem “suar” menos e poupar água durante a seca, mas permanecem menos stressadas e saudáveis.

Usamos os dados coletados de técnicas de sensoriamento remoto hiperespectral e térmico para criar um índice de eficiência de transpiração baseado em imagem (iTE), um parâmetro para melhoramento de plantas que é relativamente fácil de interpretar.

Utilizando o iTE, podemos então identificar as linhas bem adaptadas que demonstram uma utilização tão eficiente da água em condições de seca e ainda conseguem sustentar a sua capacidade de retomar o crescimento.

Dois coelhos com uma cajadada só

Embora tenhamos desenvolvido o iTE tendo em mente as populações selvagens, a sua aplicação também poderia estender-se às culturas comerciais cultivadas.

Fazendo a transição dos métodos de seleção tradicionais que se concentram puramente no desempenho do rendimento para a seleção de cultivares, o índice iTE poderia ser integrado com medições de tolerância clássicas para tomar decisões mais abrangentes e informadas sobre as melhores linhagens selvagens para reprodução.

Em colaboração com o Instituto de Agricultura Sustentável de Espanha, IAS-CSIC, descobrimos uma forte ligação entre uma mudança positiva no iTE sob condições de seca relativamente a um controlo bem irrigado, e a estabilidade do rendimento em variedades comerciais de trigo; quanto maior o aumento no iTE, menores serão as perdas de rendimento.

A estabilidade do rendimento indica quão bem uma cultura mantém o seu rendimento de grãos sob seca em comparação com condições normais e bem irrigadas. Mas existem várias razões pelas quais algumas culturas resistem melhor à seca.

Por exemplo, algumas plantas podem continuar a fotossintetizar de forma eficaz, como sugere a nossa investigação, enquanto outras podem ter raízes mais profundas que acedem à água muito abaixo da superfície.

Estas últimas podem aparecer como copas mais frias nas imagens térmicas porque são capazes de extrair mais água, permitindo que a planta continue transpirando e reduzindo sua temperatura.

É difícil confirmar, a partir de um ensaio de campo, se esta transpiração se deve às raízes profundas ou se estas plantas simplesmente mantêm os seus poros (estômatos) abertos, independentemente da escassez de água. A nossa investigação analisa esta complexidade para compreender precisamente como as culturas alcançam a estabilidade do rendimento.

Ao compreender as formas específicas pelas quais as plantas mantêm a produção no final da estação, podemos aproveitar a genética subjacente de forma mais eficiente.

Culturas para o futuro

Uma vez identificadas linhas selvagens promissoras, o próximo passo será modificá-las para se adequarem às práticas agrícolas padrão através de um processo conhecido como domesticação de novo.

Este método acelera o processo que os humanos têm usado há milhares de anos para selecionar e produzir melhores culturas. Em vez de esperar gerações, utilizamos técnicas avançadas de melhoramento para adicionar rapidamente as boas características comuns em culturas domesticadas directamente às plantas selvagens e tolerantes ao stress.

Estas modificações de reprodução não transgénicas produzem culturas que são mais fáceis de cultivar utilizando práticas de gestão padrão.

Ao utilizar a detecção remota hiperespectral para identificar boas linhas selvagens candidatas e a domesticação de novo para torná-las acessíveis e desejáveis para os produtores, podemos revolucionar o desenvolvimento das culturas, adaptando as plantas às mudanças climáticas para satisfazer a crescente procura global de alimentos.

Mais informações: Luis M. Guadarrama-Escobar et al, De volta ao futuro para a tolerância à seca, Novo Fitologista (2024). DOI:10.1111/nph.19619
Informações do diário: Novo Fitologista

Fornecido pela Universidade de Melbourne

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