Engenharia genética de plantas e de microrganismos podem reduzir dependência de fertilizantes sintéticos

Num artigo recentemente na Trends in Microbiology, um grupo de cientistas da Universidade de Wisconsin em Madison, discute a possibilidade de usar a engenharia genética para facilitar relações mutualísticas entre plantas e microrganismos fixadores de nitrogênio, chamados diazotróficos. Estas associações engenheiradas ajudariam as lavouras a adquirir nitrogénio do ar, de forma similar aos mutualismos entre leguminosas e bactérias fixadoras de nitrogénio.

Diazotróficos são espécies de bactérias do solo e arquéias que naturalmente “fixam” o nitrogênio atmosférico em amônio, uma fonte que as plantas podem usar. Alguns desses microrganismos formaram relações mutualísticas com as plantas, por meio das quais as plantas lhes fornecem energia e um local seguro e com baixo teor de oxigênio e, em troca, elas fornecem nitrogênio às plantas. Um exemplo são as leguminosas que mantem uma simbiose com bactérias Rhizobium fixadores de nitrogênio em pequenos nódulos nas raízes.

No entanto, estes mutualismos ocorrem apenas num pequeno número de plantas e num pequeno número de espécies de culturas. Se mais espécies cultivadas fossem capazes de formar associações com fixadores de nitrogênio, diminuiria a necessidade de fertilizantes azotados sintéticos, mas este tipo de relações leva eras para evoluir naturalmente.

Como melhorar a fixação de azoto em culturas não leguminosas é um desafio constante na agricultura. Vários métodos diferentes foram propostos, incluindo a modificação genética de plantas para que elas próprias produzam nitrogenase, a enzima que os fixadores de nitrogênio usam para converter o nitrogênio atmosférico em amônio, ou a engenharia de plantas não leguminosas para produzir nódulos radiculares.

Um método alternativo envolveria a engenharia de plantas e micróbios fixadores de nitrogênio para facilitar associações mutualísticas. Essencialmente, as plantas seriam projetadas para serem melhores hospedeiras, e os microrganismos seriam projetados para liberar nitrogênio fixo mais rapidamente quando encontrassem moléculas que são secretadas pelas plantas hospedeiras projetadas.

“Uma vez que os diazotróficos não compartilham o seu nitrogênio com as plantas, eles precisam de ser manipulados para libertarem o nitrogênio para que as plantas possam se beneficiar.

A abordagem dependeria de sinalização bidirecional entre plantas e microrganismos, algo que já ocorre naturalmente. Os microrganismos têm quimiorreceptores que lhes permitem detectar metabólitos que as plantas secretam no solo, enquanto as plantas são capazes de detectar padrões moleculares associados a microrganismos e hormônios vegetais secretados por microrganismos. Estas vias de sinalização poderiam ser ajustadas através da engenharia genética para tornar a comunicação mais específica entre pares de plantas e micróbios modificados.

Os autores também discutem maneiras de tornar esses relacionamentos projetados mais eficientes. Dado que a fixação de nitrogênio é um processo que consome muita energia, seria útil que os microrganismos fossem capazes de regular a fixação de azoto e apenas produzir amónio quando necessário.

Contar com a sinalização de pequenas moléculas dependentes de plantas garantiria que o nitrogênio só fosse fixado quando a cepa modificada estivesse próxima da espécie de cultivo desejada. Nesses sistemas, as células realizam fixação com uso intensivo de energia apenas quando são mais benéficas para a cultura.

Muitos microrganismos fixadores de nitrogênio poderiam proporcionar benefícios adicionais às plantas além da fixação de nitrogênio, incluindo a promoção do crescimento e da tolerância ao estresse. Os autores dizem que pesquisas futuras devem se concentrar em “acumular” esses múltiplos benefícios. No entanto, uma vez que estes processos consomem muita energia, os investigadores sugerem o desenvolvimento de comunidades microbianas compostas por várias espécies, cada uma delas proporcionando benefícios diferentes para “distribuir a carga de produção entre várias estirpes”.

Os autores reconhecem que a modificação genética é uma questão complexa e que a utilização em larga escala de organismos geneticamente modificados na agricultura exigiria a aceitação pública. É preciso haver uma comunicação transparente entre cientistas, produtores e consumidores sobre os riscos e benefícios destas tecnologias emergentes.

Há também a questão da biossegurança. Dado que os micróbios trocam facilmente material genético dentro e entre espécies, serão necessárias medidas para evitar a propagação de material transgénico em microrganismos nativos nos ecossistemas circundantes. Vários desses métodos de confinamento foram desenvolvidos em laboratório, por exemplo, engenharia dos micróbios para que dependam de moléculas que não estão naturalmente disponíveis, o que significa que serão restritos aos campos em que as plantas hospedeiras modificadas estão presentes, ou fiação os micróbios com “interruptores de desligamento”.

Os autores sugerem que estas medidas de controlo podem ser mais eficazes se forem em camadas, uma vez que cada medida tem as suas limitações, e sublinham a necessidade de testar estes mutualismos planta-micróbio modificados sob as condições variáveis de campo em que as culturas são cultivadas.

O uso prático das interações planta-micróbio e sua transição do laboratório para a terra ainda são desafiadores devido à alta variabilidade dos fatores ambientais bióticos e abióticos e ao seu impacto nas plantas, micróbios e suas interações.

“Os testes em ambientes altamente controlados, como casa de vegetação, muitas vezes não se correspondem as condições de campo.  Assim, as cepas engenheiradas devem ser testadas mais prontamente em testes de campo altamente replicados.

Por Agricultura A a Z — AGROLINK.

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