Cientistas descobrem “interruptor” genético em plantas leguminosas que limita a capacidade biológica de obter nutrientes

Uma equipa de cientistas internacionais identificou pela primeira vez um “interruptor” genético que desliga o processo de conversão do azoto atmosférico em nutrientes pelas leguminosas.

As leguminosas como o feijão, a ervilha e a lentilha são únicas entre as culturas pela sua capacidade de interagir com as bactérias do solo para converter ou “fixar” o azoto numa forma utilizável de nutrientes.

No entanto, este processo biológico, que consome muita energia, é reduzido quando o azoto já é abundante no solo, quer através de processos naturais quer através da aplicação de fertilizantes sintéticos.

A mais recente descoberta do regulador genético que desliga a fixação de azoto quando os níveis de nitrato no solo são elevados permitiu aos cientistas remover o gene em leguminosas modelo, assegurando que estas continuassem a fixar azoto independentemente do ambiente do solo.

O aumento da capacidade biológica das leguminosas para fixar o azoto poderá ajudar a aumentar o crescimento e o rendimento das culturas, reduzindo simultaneamente a necessidade de fertilizantes sintéticos, que contribuem para a pegada ambiental da agricultura.

Os resultados da investigação, que foi realizada no âmbito do projeto internacional Enabling Nutrient Symbioses in Agriculture (ENSA), foram publicados na revista Nature.

“Do ponto de vista agrícola, a fixação continuada de azoto pode ser uma caraterística benéfica que aumenta a disponibilidade de azoto, tanto para a leguminosa como para as futuras culturas que dependem do azoto deixado no solo após o cultivo das leguminosas”, afirmou o autor principal, Dugald Reid, professor da Universidade La Trobe em Ciências do Solo e Plantas Animais e investigador do ENSA.

“Isto ajuda a lançar as bases para a investigação futura, que nos proporciona novas formas de gerir os nossos sistemas agrícolas para reduzir a utilização de fertilizantes azotados, aumentar os rendimentos agrícolas e reduzir o impacto da utilização de fertilizantes azotados no ambiente”, acrescentou.

O projeto ENSA é atualmente financiado pela Bill & Melinda Gates Agricultural Innovations (Gates Ag One), uma organização sem fins lucrativos que investe em investigação agrícola inovadora para satisfazer as necessidades urgentes e negligenciadas dos pequenos agricultores na África Subsariana e no Sul da Ásia.

A equipa descobriu o regulador conhecido como “Fixação sob nitrato” (FUN) depois de ter analisado 150.000 plantas de leguminosas individuais nas quais os genes tinham sido eliminados para identificar a forma como as plantas controlam a passagem da fixação de azoto para a absorção de azoto do solo.

O FUN, que é um tipo de gene conhecido como fator de transcrição e que controla os níveis de outros genes, está presente nas leguminosas, independentemente de estar ativo ou inativo e dos níveis de azoto.

“Como parte do estudo, concebemos um rastreio genético de milhares de plantas em estufas para identificar os genes que ligam os estímulos ambientais aos sinais biológicos”, afirmou Jieshun Lin, coautor do artigo e investigador do ENSA.

“Ao aumentar os níveis de nitrato disponíveis para a leguminosa modelo, conseguimos identificar os genes com regulação deficiente da fixação de azoto e descobrir o mutante FUN”, acrescentou.

A equipa utilizou então uma combinação de bioquímica, estudos de expressão genética e microscopia para descobrir que a FUN se forma em longos filamentos de proteínas quando está inativa.

Isto levou à descoberta secundária de que os níveis de zinco desempenham um papel no desencadeamento da FUN para se tornar ativa e encerrar a fixação de azoto.

“Descobrimos que a alteração do azoto do solo altera os níveis de zinco na planta. O zinco não tinha sido anteriormente associado à regulação da fixação do azoto, mas o nosso estudo descobriu que uma alteração nos níveis de zinco ativa o FUN, que controla um grande número de genes que impedem a fixação do azoto”, afirmou Kasper Andersen, coautor e investigador do ENSA.

“A remoção do FUN cria, portanto, uma condição em que a fixação do azoto deixa de ser desligada pela planta”, acrescentou.

O estudo foi liderado por cientistas da Universidade de La Trobe, na Austrália, e da Universidade de Aarhus, na Dinamarca, e envolveu colaborações com o European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), o Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas, em Espanha, e a Universidade Politécnica de Madrid (UPM).

Os investigadores estão agora a investigar o desempenho das culturas de leguminosas comuns, como a soja e o feijão-frade, quando perdem a atividade do FUN.