Como é que as plantas agave sobrevivem a secas extremas

As plantas agave podem ser mais conhecidas pelo seu papel na produção de tequila, mas também são notavelmente hábeis na retenção de água em ambientes extremamente secos. Num novo estudo, os investigadores utilizaram a espetroscopia e a imagiologia terahertz para obter novos conhecimentos sobre a forma como estas suculentas armazenam e gerem a água para sobreviverem em condições de seca.

“Compreender como as plantas se adaptam a condições de seca pode conduzir a melhores práticas agrícolas e ser utilizado para desenvolver culturas que necessitem de menos água”, afirma Monica Ortiz-Martinez do Centro de Investigaciones en Optica (CIO) no México. “

Isto pode levar a maiores colheitas com menor consumo de água, beneficiando os agricultores, a produção alimentar e a segurança alimentar global”, acrescenta.

O novo estudo utiliza ondas terahertz, que se situam entre as micro-ondas e a região do infravermelho médio do espetro eletromagnético. Uma vez que a água absorve fortemente a radiação terahertz, os investigadores utilizaram a espetroscopia e a imagiologia terahertz para medir os níveis de hidratação nos tecidos das plantas, mapear a água no interior da planta e estudar a forma como os seus açúcares frutanos se agarram à água a nível molecular.

Na revista Applied Optics do Optica Publishing Group, os investigadores mostram que a espetroscopia terahertz é uma ferramenta poderosa para estudar as plantas sem causar danos. Utilizando esta abordagem, descobriram que as plantas de agave sobrevivem em ambientes secos armazenando água numa estrutura foliar especializada e que os seus frutanos atuam como esponjas moleculares para reter a humidade.

“Na indústria alimentar, as nossas descobertas sobre os frutanos do agave e as suas excecionais propriedades de ligação à água podem ser utilizadas para desenvolver novos ingredientes alimentares que melhorem a retenção de humidade, a textura e o prazo de validade, especialmente em alimentos secos ou processados”, afirmou o primeiro autor do artigo, Enrique Castro-Camus, do CIO. “Isto poderia levar a produtos alimentares mais saudáveis, mais duradouros e com menos conservantes artificiais”.

Combinando biologia e ciência alimentar

A investigação sobre o agave começou como uma colaboração entre o grupo de Ciência Terahertz Aplicada do CIO e June Simpson do Centro de Investigaciones Avanzadas (CINVESTAV) para explorar a distribuição de água nas folhas de agave e a sua ligação aos frutanos numa perspetiva biológica.

Por volta da mesma altura, o grupo do CIO iniciou uma parceria com Socorro Villanueva do Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco (CIATEJ) que adotou uma abordagem mais científica dos alimentos para estudar a forma como os frutanos, que são utilizados como aditivos alimentares, formam camadas microscópicas de água que protegem os produtos congelados de danos relacionados com o congelamento.

Por fim, estas duas investigações juntaram-se para formar uma história completa de como as agaves resistem a secas extremas.

Para a obtenção de imagens terahertz, os investigadores utilizaram um espetrómetro terahertz no domínio do tempo com um laser de fibra de femtosegundo e uma resolução de pixels inferior a mm. Colocaram fatias finas de folhas entre um emissor e um detetor de terahertz e depois utilizaram as medições de absorção de água para mapear os níveis de hidratação. Reconfiguraram o mesmo espetrómetro terahertz no domínio do tempo para uma geometria de reflexão total atenuada para analisar soluções contendo frutano.

“A nossa investigação introduz várias inovações fundamentais no estudo da hidratação das plantas utilizando a tecnologia terahertz”, afirmou Monica Ortiz-Martinez. “Um dos avanços mais significativos é a deteção não invasiva de água – ao contrário dos métodos tradicionais que exigem o corte, a secagem e a pesagem de amostras de plantas, a imagem terahertz permite a análise da hidratação em tempo real sem danificar a planta.”

A análise revelou que as folhas de agave têm um sistema especializado de armazenamento de água, em que o núcleo interno da folha permanece altamente hidratado, enquanto a camada exterior atua como uma barreira protetora para reduzir a perda de água.

Os investigadores descobriram também que os frutanos têm uma capacidade excecional para atrair e manter as moléculas de água à sua volta, muito mais forte do que outros açúcares. Isto deve-se ao facto de a estrutura química ramificada dos frutanos formar uma espécie de esponja porosa na qual a água pode ser retida para manter a planta hidratada apesar das temperaturas elevadas.

A combinação do armazenamento de água ao nível dos tecidos e da retenção de água ao nível molecular torna as agaves altamente resistentes à seca, permitindo-lhes prosperar em ambientes áridos onde a água é escassa.

Expansão da tecnologia

A seguir, os investigadores planeiam expandir a utilização da espetroscopia e imagiologia terahertz para estudar a resistência à seca numa gama mais vasta de espécies vegetais. Pretendem investigar a forma como as diferentes plantas gerem a água, tanto a nível dos tecidos como a nível molecular, em especial as culturas que são essenciais para a segurança alimentar global.

Os investigadores afirmam que, com um maior desenvolvimento, a configuração, atualmente otimizada para utilização em laboratório, poderá ser transformada num sistema de terahertz portátil e económico que poderá ser utilizado em campos ou estufas para monitorização. A combinação deste sistema com algoritmos avançados de aprendizagem automática para analisar imagens terahertz de forma mais eficiente poderá permitir a deteção em tempo real de padrões de hidratação e de indicadores de stress hídrico.

Os investigadores sublinham que a obtenção de resultados com um impacto social e económico significativo exige uma forte colaboração interdisciplinar, sendo a estreita cooperação entre especialistas em ótica, fisiologia vegetal e ciência alimentar fundamental neste estudo.

“Ao fazer avançar os métodos não invasivos de monitorização das plantas, a nossa investigação lança as bases para práticas agrícolas mais inteligentes e sustentáveis, beneficiando, em última análise, tanto os agricultores como os consumidores, ao mesmo tempo que ajuda a conservar os recursos naturais para as gerações futuras”, afirma Castro-Camus.