Na primeira parte deste texto apresentamos alguns dos desafios que a produção agrícola deverá enfrentar nos próximos anos e de que maneira a biotecnologia vegetal pode ajudar na busca por soluções para esses problemas. Agora apresentamos algumas das aplicações dessas novas tecnologias na agricultura que já estão sendo utilizadas ou deverão começar muito em breve.
Aplicações de novas tecnologias a agricultura
1- Uso de tecnologias ômicas
As tecnologias modernas de sequenciamento genômico de alto rendimento, acessíveis e de baixo custo (US$ 1000 – 10000) têm gerado rapidamente uma grande quantidade de informação acerca do material genético de diversas espécies cultivadas. Essas informações são importantes para que se conheça, por exemplo, a variação genética relacionada à resistência a doenças em plantas, dados que podem ser utilizados por melhoristas na geração de novas cultivares.
Além da genômica, a transcriptômica e proteômica também geram dados importantes para o entendimento do funcionamento das plantas sob condições específicas. Dados de transcriptômica podem identificar sítios regulatórios de resposta ao estresse ambiental, por exemplo. Já a proteômica pode detectar aumento na produção de uma proteína que seja dependente do ambiente ou situação em que a planta se encontra, além de modificações químicas passageiras que alteram a função biológica dessas proteínas.
Finalmente, estudos computacionais sintetizam as informações de dados agronômicos, proteômicos, transcriptômicos e/ou metabolômicos para encontrar genes que possuam efeitos no fenótipo das culturas e que possam guiar a manipulação de características complexas, como produtividade e composição nutricional, através do melhoramento convencional ou de técnicas modernas de biotecnologia.
2- Edição gênica
A descoberta e aplicação de enzimas capazes de fazer modificações no genoma de forma direcionada abre a possibilidade para um universo de modificações genéticas a serem exploradas para o melhoramento genético. Desde 2013, a tecnologia chamada CRISPR-Cas tem sido amplamente disseminada em plantas. O processo de edição gênica pode introduzir diferentes mudanças no genoma como, mutações, deleções e inserções de fragmentos do DNA.
O melhoramento de cultivares visando aumento de performance e qualidade da produção pode acontecer, por exemplo, através da desativação de genes que geram efeitos indesejados ou modificação de regiões regulatórias que controlam quando e como será a expressão desses genes.
A mutação direcionada de genes sem inserção de fragmentos de DNA corresponde hoje a 90% das publicações da área agrícola. Além de ser relativamente fácil, essa técnica não incorpora nenhum material genético que não seja da planta ao genoma, possibilitando a geração de plantas não-transgênicas que carregam a edição desejada no genoma. Essa é uma vantagem, pois em alguns países essas plantas já são isentas das regulações normalmente aplicadas a plantas transgênicas, o que facilita e acelera o lançamento de tais cultivares no mercado.
O melhoramento visando o aumento da produtividade ainda é a prioridade entre as pesquisas de aplicação do CRISPR na agricultura. Porém, a aplicação da técnica também tem sido utilizada visando a biofortificação de alimentos e a tolerância a diferentes tipos de estresses bióticos e abióticos.
3- Inserção de transgenes e clusters gênicos sintéticos
O processo de transformação genética, no qual o material genético é introduzido e integrado ao genoma vegetal de forma herdável, foi essencial para o desenvolvimento dos organismos geneticamente modificados, que hoje fazem parte do nosso dia a dia. Através da introdução de genes únicos ou múltiplos (clusters gênicos sintéticos) é possível modificar um fenótipo ou introduzir sequências de DNA que causem o silenciamento de genes endógenos. Os organismos transgênicos mais conhecidos são aqueles que possuem os genes de uma bactéria de solo, chamada Bacilus thuringiensis (Bt), que confere à planta resistência a determinados insetos.
A quantidade de mudanças fenotípicas que podem ser alcançadas com a transgenia é maior do que a edição gênica sozinha é capaz de fazer, principalmente, se considerarmos a ampla diversidade genética que pode ser utilizada, como é o caso das cultivares Bt (que possuem o gene proveniente de Bacilus thuringiensis), por exemplo.
Outro exemplo que pode ser importante futuramente é a utilização de características vindas de bactérias que permitiria que espécies como arroz e algodão utilizem fosfito além de fosfato como fonte de fósforo. Isso possibilita o uso do fosfito tanto como fertilizante quanto como agente no controle de ervas daninhas que são incapaz de utilizar o fosfito. Outras possibilidades são também a capacidade de fixação de nitrogênio e a produção de compostos nutricionais e biofarmacêuticos.
Não podemos esquecer também a biofortificação de alimentos com nutrientes que não são encontrados em variedades convencionais, como é o caso do Golden rice, arroz fortificado com betacaroteno (um precursor da vitamina A) e das bananas Cavendish.
4– Uso de nucleases direcionadas (Side Directed Nucleases – SDN) para inserção de genes
Uma das desvantagens da transformação genética via Agrobacterium ou biobalística é que os genes introduzidos são inseridos em locais aleatórios do genoma, o que pode causar, por exemplo, a disrupção de genes endógenos. Além disso, quando múltiplos transgenes são utilizados, normalmente cada gene é inserido em locais distintos do genoma e segregam (são herdados) de forma independentemente, o que dificulta etapas seguintes de melhoramento.
A utilização de nucleases direcionadas (Side Directed Nucleases – SDN) vem sendo estudada como uma maneira de introduzir fragmento de DNA no genoma vegetal com precisão em locais determinados. Neste caso, vários genes podem ser introduzidos em uma única região cromossômica garantindo máxima eficácia na expressão dos transgenes e causando efeitos mínimos no fenótipo vegetal. Dentre as técnica utilizadas estão CRISPR/Cas9, ZFNs (Zinc-Finger Nucleases) e TALENs (Transcription Activator-Like Effector Nucleases).
5- Novos métodos de transformação genética
A geração de plantas transformadas é ainda uma etapa crítica no processo de transformação de plantas. Algumas espécies apresentam dificuldade durante a captação e inserção do material genético estranho em seu genoma, ou podem ter dificuldades em regenerar (formar) uma planta inteira após a inserção do transgene. Em muitas espécies, a geração de plantas transgênicas é limitada pela etapa de regeneração.
Muitas pesquisas estão direcionadas para aumentar o número de espécies que poder ser transformadas e a eficiência de transformação dessas espécies. A transformação com genes conhecidos (como os genes BABY BOOM e WUSCHEL), que são capazes de aumentar a taxa de regeneração, tem sido utilizada em diversas espécies como milho, sorgo e cana-de-açúcar, por exemplo.
6-Produção de plantas geneticamente modificadas sem a utilização de cultura de tecidos.
A cultura de tecidos de plantas ainda é uma etapa essencial para a produção de plantas transgênicas, e ocorre por meio das principais técnicas de transformação como Agrobacterium e biobalística. Entretanto, para uma série de espécies o desenvolvimento de protocolos para regeneração (formação) dessas plantas transformadas por técnicas de cultura de tecidos ainda é um desafio. Além disso, em alguns casos são relatadas variações genéticas indesejadas (variações somaclonais) nos materiais cultivados in vitro.
A inserção de material genético em células vegetais é desafiadora devido a presença da parede celular, a qual funciona como uma barreira física para entrada de biomoléculas, o que não acontece por exemplo em células animais. Por isso, até hoje não foram desenvolvidos métodos de inserção de material genético em células vegetais para a maioria das espécies sem que fosse necessário a utilização de força externa, como a biobalística, ou infecção celular, como o uso da Agrobacterium.
Com os avanços da nanotecnologia, acredita-se que a utilização de nanopartículas possa superar as limitações das técnicas convencionais utilizadas atualmente. As nanopartículas funcionam como vetores não virais, biocompatíveis e não citotóxicos que podem transportar uma série de biomoléculas para o interior de células biológicas. A utilização dessas nanopartículas promete ser promissora para entrada passiva e independente da espécie de material genético (DNA e RNA) em células vegetais.
Devido às propriedades físicas e químicas desses materiais, como tamanho e carga elétrica, eles podem ser adaptados para permitir sua entrada através da parede celular vegetal por meio de aplicações tão simples quanto um spray.
Para evitar a necessidade de uma etapa de cultura de tecidos vegetais, tecidos gaméticos (utilizados para propagação sexuada) são alvos para inserção do material genético via nanopartículas. Pesquisadores utilizaram um campo magnético para causar a penetração de nanopartículas carregando material genético através de aberturas em regiões do pólen, que possuem uma parede celular mais fina, como em algodão, pimenta e abóbora. A fertilização manual de flores utilizando esses grãos de pólen produziram sementes cuja integração do material genético foi estável e herdável.
A biotecnologia tem desenvolvido uma série de tecnologias que irão, nos próximos anos, colaborar para o desenvolvimento da agricultura. Apesar de algumas delas ainda estarem nas etapas iniciais de desenvolvimento o futuro é promissor e vale a pena ficar de olho nas suas aplicações. Qual sua opinião sobre a interação da biotecnologia vegetal e a agricultura? Acredita que essa parceria é importante? Conta pra gente aqui nos comentários. Vamos conversar!
