O projeto é liderado por Eduardo Blumwald, um professor renomado do Departamento de Ciências das Plantas. Utilizando a ferramenta de edição genética CRISPR, a equipe aumentou a produção de um dos compostos naturais da planta. Quando as raízes do trigo liberam essa substância extra no solo, ela auxilia certas bactérias que conseguem converter o nitrogênio do ar em uma forma que as plantas ao redor podem absorver. Esse processo é conhecido como fixação de nitrogênio.

O estudo foi publicado na Plant Biotechnology Journal.

Benefícios Potenciais para a Segurança Alimentar

Em muitas regiões em desenvolvimento, essa inovação pode oferecer um novo suporte para a produção confiável de culturas.

“Na África, as pessoas não utilizam fertilizantes porque não têm dinheiro, e as propriedades são pequenas, não maiores que seis a oito acres,” disse Blumwald. “Imagine plantar culturas que estimulam as bactérias no solo a criar o fertilizante que as plantas precisam, de forma natural. Uau! Isso realmente faz a diferença!”

Essa inovação no trigo se baseia no sucesso anterior do grupo com o arroz, e trabalhos semelhantes estão sendo realizados para expandir a técnica a outras culturas cereais importantes.

O Problema Global dos Fertilizantes

O trigo é o segundo cereal mais produtivo do mundo e representa a maior parte do uso de fertilizantes nitrogenados, cerca de 18% do total global. Em 2020, mais de 800 milhões de toneladas de fertilizantes foram produzidas em todo o mundo, segundo a Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação.

As plantas geralmente absorvem apenas 30 a 50% do fertilizante nitrogenado aplicado. O resto frequentemente se despeja em rios e áreas costeiras, contribuindo para zonas “mortas” sem oxigênio que prejudicam os ecossistemas aquáticos. O excesso de nitrogênio no solo também pode gerar óxido nitroso, um potente gás de efeito estufa.

Por que o Trigo Precisa de Uma Estratégia Diferente

Bactérias fixadoras de nitrogênio produzem uma enzima chamada nitrogenase, às vezes referida como o “fixador” por sua função na fixação do nitrogênio. A enzima age apenas dentro dessas bactérias e em ambientes com baixo teor de oxigênio.

Leguminosas como feijões e ervilhas naturalmente formam nódulos radiculares, estruturas especializadas que criam as condições com pouco oxigênio necessárias para essas bactérias.

O trigo e a maioria das outras culturas não possuem esses nódulos, o que justifica o uso generalizado de fertilizantes nitrogenados sintéticos.

“Durante décadas, cientistas tentaram desenvolver culturas cerealistas que produzissem nódulos radiculares ativos ou tentar colonizar cereais com bactérias fixadoras de nitrogênio, sem muito sucesso. Nós adotamos uma abordagem diferente,” contou Blumwald. “Dissemos que a localização das bactérias fixadoras de nitrogênio não é importante, contanto que o nitrogênio fixado chegue até a planta, e ela consiga utilizá-lo.”

Como a Equipe da UC Davis Encontrou uma Solução Viável

Os pesquisadores analisaram 2.800 compostos produzidos naturalmente pelas plantas e identificaram 20 que poderiam estimular bactérias fixadoras de nitrogênio a formar biofilmes. Esses biofilmes são revestimentos adesivos que envolvem as bactérias, criando um microambiente de baixo oxigênio adequado para a atividade da nitrogenase. A equipe, então, mapeou como as plantas sintetizam esses compostos e identificou os genes envolvidos.

Com essas informações, utilizaram o CRISPR para modificar plantas de trigo de modo a produzir quantidades maiores de um composto específico, uma flavona chamada apigenina. Como as plantas produzem mais apigenina do que precisam, o excesso é liberado no solo. Em experimentos, essa apigenina estimulou as bactérias do solo a formar biofilmes protetores, permitindo que a nitrogenase fixasse o nitrogênio em uma forma que o trigo pudesse absorver.

Em condições de fertilizante nitrogenado muito baixo, o trigo modificado também apresentou rendimentos superiores em comparação com as plantas controle.

Grandes Ganhos Econômicos para os Agricultores

Os agricultores dos Estados Unidos gastaram quase US$ 36 bilhões em fertilizantes em 2023, de acordo com estimativas do Departamento de Agricultura dos EUA. Blumwald observa que cerca de 500 milhões de acres no país são cultivados com cereais.

“Imagine se você pudesse economizar 10% do total de fertilizantes utilizados nessas terras,” ponderou ele. “Estou calculando de forma conservadora: isso deve representar uma economia de mais de um bilhão de dólares todos os anos.”

Outros autores incluem Hiromi Tajima, Akhilesh Yadav, Javier Hidalgo Castellanos, Dawei Yan, Benjamin P. Brookbank e Eiji Nambara.

A Universidade da Califórnia registrou um pedido de patente, que agora está pendente. Bayer Crop Science e o Endowment Will Lester da UC Davis financiaram o trabalho.