Modelo aprimorado pode ajudar cientistas a prever melhor a produtividade e os efeitos das mudanças climáticas

Um novo modelo de computador incorpora como poros microscópicos nas folhas podem se abrir em resposta à luz—um avanço que pode ajudar cientistas a criar plantas virtuais para prever como temperaturas mais altas e níveis crescentes de dióxido de carbono afetarão os cultivos de alimentos, de acordo com um estudo publicado em uma edição especial da revista Photosynthesis Research hoje.

 

“Este é um novo modelo de computador emocionante que pode nos ajudar a fazer previsões muito mais precisas em uma ampla gama de condições”, disse Johannes Kromdijk, que liderou o trabalho como parte de um projeto de pesquisa internacional chamado Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE).

 

RIPE, que é liderado pela Universidade de Illinois, está engenhando cultivos para serem mais produtivos sem usar mais água, melhorando a fotossíntese, o processo natural que todas as plantas utilizam para converter luz solar em energia para alimentar o crescimento e a produtividade das culturas. O RIPE é apoiado pela Fundação Bill & Melinda Gates, pela Fundação dos EUA para Pesquisa em Alimentos e Agricultura (FFAR) e pelo Departamento de Desenvolvimento Internacional do Governo do Reino Unido (DFID).

 

O trabalho atual focou em simular o comportamento do que são conhecidos como estômatos—poros microscópicos nas folhas que, em resposta à luz, se abrem para permitir que água, dióxido de carbono e oxigênio entrem e saiam da planta. Em 2018, a equipe do RIPE publicou um artigo na Nature Communications que mostrou que aumentar uma proteína específica poderia induzir plantas a fechar parcialmente seus estômatos—até um ponto em que a fotossíntese não era afetada, mas a perda de água diminuía significativamente. Os dados experimentais deste estudo foram usados para criar o novo modelo de estômatos aprimorado introduzido hoje.  

 

 

“Sabemos há décadas que a fotossíntese e a abertura estomática estão estreitamente coordenadas, mas como isso funciona permaneceu incerto”, disse Stephen Long, Ikenberry Endowed University Chair de Ciências de Culturas e Biologia Vegetal da Universidade de Illinois. “Com este novo modelo de computador, temos uma ferramenta muito melhor para calcular os movimentos estomáticos em resposta à luz.”

 

O objetivo final, disse Long, é identificar oportunidades para controlar esses guardiões estomáticos para criar cultivos tolerantes à seca. “Agora estamos nos aproximando do elo perdido: como a fotossíntese diz aos estômatos quando se abrir.”

 

A modelagem computacional tem sido um avanço significativo no melhoramento de culturas. O pai da genética moderna, Gregor Mendel, fez sua descoberta revolucionária de que plantas de ervilha herdam características de seus pais cultivando e criando mais de 10.000 plantas de ervinha durante oito anos. Hoje, os cientistas das plantas podem virtualmente cultivar milhares de cultivos em questão de segundos usando esses complexos modelos de computador que simulam o crescimento das plantas.

 

Modelos de estômatos são usados em conjunto com modelos de fotossíntese para fazer previsões abrangentes, desde produtividade futura de culturas até manejo agrícola, como como as culturas respondem quando há déficit hídrico. Além disso, esses modelos podem dar aos cientistas uma prévia de como culturas como trigo, milho ou arroz poderiam ser afetadas por níveis crescentes de dióxido de carbono e temperaturas mais altas.

 

“A versão anterior do modelo de estômatos usava uma relação que não era consistente com nossa compreensão atual dos movimentos estomatais”, disse Kromdijk, agora professor universitário na Universidade de Cambridge. “Descobrimos que nossa nova versão precisa de muito menos ajuste para fazer previsões altamente precisas.”

 

 

Ainda assim, há muito trabalho a ser feito para mostrar que este modelo modificado funciona em uma ampla variedade de aplicações e para fortalecer ainda mais a relação entre estômatos e fotossíntese.

 

“Temos que mostrar que este modelo funciona para uma diversidade de espécies e locais”, disse Katarzyna Glowacka, ex-membro do RIPE, agora professora assistente na Universidade de Nebraska-Lincoln. “Modelos de simulação em grande escala conectam modelos de turbulência atmosférica, interceptação de luz, disponibilidade de água no solo e outros - então temos que convencer várias comunidades de pesquisa que esta é uma melhoria que vale a pena fazer.”