Como podemos fazer plantações sobreviverem sem água

À medida que a população mundial aumenta e os efeitos da mudança climática se tornam mais evidentes, temos de alimentar um número cada vez maior de pessoas utilizando menos terras cultiváveis. A bióloga molecular Jill Farrant estuda um fenômeno raro que pode ajudar: "plantas de ressurreição", plantas super-resilientes que parecem voltar do mundo dos mortos. Seriam elas uma promessa para o cultivo de alimentos em um mundo futuro cada vez mais quente e seco?

Creio que o segredo para produzir
culturas extremamente resistentes à seca,

que contribuirão de alguma forma
para a segurança alimentar no mundo,

reside nas plantas de ressurreição,

mostradas aqui
num estado extremamente seco.

Vocês podem até achar
que essas plantas estão mortas,

mas não estão.

Basta lhes dar água,

e elas ressuscitam, ficam viçosas
e começam a crescer em 12 a 48 horas.

Mas por que estou sugerindo

que produzir culturas resistentes à seca
vai nos proporcionar segurança alimentar?

Bem, a população atual do mundo
é de cerca de 7 bilhões de habitantes.

E estima-se que, por volta de 2050,

seremos de 9 a 10 bilhões de pessoas,

com grande parte desse crescimento
acontecendo na África.

As organizações mundiais
para alimentação e agricultura

sugerem que precisamos
de um aumento de 70%

nas práticas agrícolas atuais
para atender a essa demanda.

Uma vez que as plantas são
a base da cadeia alimentar,

a maior parte disso
terá de vir das plantas.

Esse índice de 70%

não considera os potenciais
efeitos da mudança climática.

Isso foi tirado de um estudo feito
por [Aiguo] Dai, publicado em 2011,

em que ele levou em consideração

todos os potenciais efeitos
da mudança climática

e os expressou, entre outras coisas,

num aumento da aridez
pela falta ou escassez de chuva.

As áreas vermelhas mostradas aqui

são áreas que até recentemente

têm sido usadas com sucesso
pela agricultura,

mas não podem mais, pela falta de chuva.

Esta é a situação prevista
para acontecer em 2050.

Grande parte da África, na verdade,
do mundo, vai estar em apuros.

Vamos ter de pensar em alternativas
bem inteligentes de produzir comida.

E, de preferência, entre elas,
as culturas resistentes à seca.

Outro dado importante sobre a África

é que a maior parte de sua agricultura
depende da chuva.

Produzir culturas resistentes à seca
não é a coisa mais fácil do mundo,

e a razão para isso é a água.

A água é essencial
para a vida neste planeta.

Todos os seres vivos,
que têm um metabolismo ativo,

desde os micróbios até vocês e eu,

são compostos predominantemente pela água.

Todas as reações biológicas
acontecem na água.

E a perda de uma pequena quantidade
de água resulta na morte.

Vocês e eu somos 65% de água

e, se perdemos 1% disso, morremos.

Mas podemos fazer mudanças
comportamentais para evitar isso.

As plantas não.

Elas estão presas ao solo.

Assim, em princípio, elas têm
um pouco mais de água do que nós,

cerca de 95% de água,

e elas podem perder
um pouco mais do que nós,

cerca de 10 a 70%, dependendo da espécie,

mas apenas por curtos períodos de tempo.

A maioria delas vai tentar resistir
ou evitar a perda de água.

Assim, um caso extremo
de resistência são as suculentas.

Elas costumam ser pequenas,
muito atraentes,

mas retêm sua água ao alto custo

de crescer extremamente devagar.

Exemplos de escape são encontrados
em árvores e arbustos.

Eles aprofundam suas raízes,
garimpam suprimentos subterrâneos de água

e os bombeiam para si constantemente,
para se manterem hidratados.

A árvore da direita é o baobá.

Também chamada
de "árvore de cabeça para baixo",

simplesmente porque a proporção
das raízes para os galhos é tão grande

que parece que a árvore
foi plantada de cabeça para baixo.

Obviamente as raízes são necessárias
para a hidratação da planta.

Provavelmente, a estratégia mais comum
de escape seja a das plantas anuais.

As plantas anuais formam a maior parte
do nosso suprimento alimentar.

Na costa oeste do meu país,

na maior parte do ano, não vemos
muito crescimento da vegetação.

Mas, com a chegada das chuvas
de primavera, temos isto:

o florescimento do deserto.

A estratégia das plantas anuais
é crescer somente na estação chuvosa.

No final da estação,
elas produzem uma semente,

que é seca, com 8 a 10% de água,

mas cheia de vida.

E qualquer coisa seca, mas ainda viva,
chamamos de tolerante à dessecação.

No estado dessecado, as sementes
ficam dormentes em ambientes hostis

por longos períodos de tempo.

Quando vem a época das chuvas,
elas germinam e crescem,

e o ciclo todo recomeça.

Acredita-se que a evolução
das sementes tolerantes à dessecação

permitiram a colonização e a propagação

de plantas com flores,
ou angiospermas, na terra.

Mas de volta às plantas anuais
como nossa maior fonte de alimentos,

trigo, arroz e milho formam 95%
das nossas fontes vegetais de alimento.

E tem sido uma excelente estratégia,

pois, num curto espaço de tempo,
podemos produzir muitas sementes.

Sementes são ricas em energia,
assim, há muitas fontes de calorias,

podemos estocá-las em tempos
de fartura para tempos de fome,

mas há um lado negativo.

Os tecidos vegetativos,
as raízes e folhas das anuais,

não têm muitos recursos inerentes
de resistência, escape e tolerância.

Simplesmente não precisam deles.

Elas crescem na estação chuvosa
e têm uma semente

para ajudá-las a sobreviver
no resto do ano.

E, assim, apesar dos esforços
conjuntos na agricultura

para produzir culturas
com propriedades melhoradas

de resistência, escape e tolerância,

particularmente resistência e escape,

pois tivemos bons modelos
para entender como elas funcionam,

ainda vemos imagens assim:

cultura de milho na África,

duas semanas sem chuva,

e a cultura morre.

Existe uma solução:

plantas de ressurreição.

Essas plantas podem perder
95% de suas células de água,

permanecer num estado de seca
e morte por meses ou anos

e, se lhes dermos água, elas vicejam
e começam a crescer novamente.

Como as sementes, elas são
tolerantes à dessecação.

Como as sementes, elas podem
suportar condições ambientais hostis.

E isso é um fenômeno realmente raro.

Existem apenas 135 espécies de plantas
floríferas que conseguem fazer isso.

Eis um vídeo do processo de ressurreição
daquelas três espécies naquela ordem.

Embaixo, há um eixo temporal, para verem
a rapidez com que isso acontece.

(Aplausos)

Impressionante, não é?

Assim, gastei pelo menos 21 anos
tentando entender como elas fazem isso.

Como essas plantam secam sem morrer?

E trabalhei com diversos tipos
de plantas de ressurreição,

aqui mostradas em estados
hidratados e desidratados,

por diversas razões.

Uma delas é que cada uma dessas plantas
serve como um modelo

para uma cultura que gostaria
de tornar tolerante à seca.

Assim, no alto, à esquerda,
por exemplo, tem um capim,

chamado "Eragrostis nindensis",

que tem uma parente próxima
chamada "Eragrostis tef",

provavelmente conhecida por "teff",

que é um alimento comum
na Etiópia, sem glúten.

É algo que gostaríamos
de tornar resistente à seca.

A outra razão para examinar
uma série de plantas

é que, pelo menos de início,
eu queria saber se todas faziam o mesmo.

Todas usam os mesmos mecanismos

para serem capazes de perder
essa água toda e não morrer?

Então, eu me dediquei à abordagem
chamada biologia sistêmica

para conseguir um entendimento amplo
da tolerância à dessecação,

na qual estudamos todos os níveis,

do molecular até a planta toda,
o nível ecofisiológico.

Por exemplo, mudanças
na autonomia da planta

enquanto elas secam e sua ultraestrutura.

Estudamos o transcritoma, que é apenas
um termo para uma tecnologia

na qual investigamos os genes que ligam
ou desligam em resposta à secagem.

Como a maioria dos genes codificam
proteínas, estudamos o proteoma.

Quais são as proteínas produzidas
em resposta à secagem?

Algumas proteínas codificam
enzimas produtoras de metabólitos,

então, estudamos o metaboloma.

Isso é importante, pois as plantas
estão presas ao solo.

Elas usam o que chamo de arsenal
químico altamente sintonizado

para se proteger de todos
os estresses de seu ambiente.

Então é importante estudarmos

as mudanças químicas
envolvidas na secagem.

E, no último estudo que fazemos
no nível molecular,

ou seja, o lipidoma, o lipídeo
muda em resposta à secagem.

E isso também é importante,

pois todas as membranas biológicas
são feitas de lipídios.

Funcionam como membranas
por estarem dentro da água.

Se tirarmos a água,
as membranas desaparecem.

Os lipídios também atuam
como sinais para ligar os genes.

Então, usamos estudos
fisiológicos e bioquímicos

para tentar perceber a função
dos possíveis protetores

que descobrimos em nossos outros estudos.

Daí, usamos tudo isso para tentar entender

como a planta interage
com esse ambiente natural.

Sempre tive a filosofia de que precisava
de um amplo entendimento

dos mecanismos da tolerância à dessecação

para fazer uma sugestão significativa
para uma aplicação biótica.

Tenho certeza de que alguns estão
pensando: "Por aplicação biótica,

ela quer dizer que vai produzir
culturas geneticamente modificadas?"

E a resposta para esta pergunta é:

depende da sua definição
de modificação genética.

Todas as culturas que comemos
hoje, trigo, arroz e milho,

são altamente geneticamente modificadas
em relação a suas antepassadas,

mas não são consideradas GMs, pois estão
sendo produzidas de forma convencional.

Se querem saber se vou colocar genes
de planta de ressurreição nas culturas,

a resposta é sim.

Ao longo do tempo,
tentamos essa abordagem.

Mais precisamente,
alguns de meus colaboradores da UCT,

Jennifer Thomson, Suhail Rafudeen,
foram pioneiros nessa abordagem,

cujos dados vou mostrar daqui a pouco.

Mas estamos a ponto de embarcar
numa abordagem extremamente ambiciosa,

na qual pretendemos ativar
uma série completa de genes

já presentes em todas as culturas.

Eles apenas não são ativados
sob condições de seca extrema.

Vou deixar que vocês decidam

se eles deveriam
ser chamados de GM ou não.

Agora, simplesmente vou lhes dar
alguns dados dessa primeira abordagem.

E, para fazer isso,

tenho de explicar um pouco
como os genes funcionam.

Provavelmente vocês sabem que os genes
são feitos de uma cadeia dupla de DNA.

É enrolado bem apertado nos cromossomos

que estão presentes em todas as células
do nosso corpo ou das plantas.

Se desenrolarmos esse DNA, temos os genes.

E cada gene tem um promotor,

que é um botão liga-desliga,

a região codificadora do gene,

e um terminador, que indica
o fim daquele gene e o início do próximo.

Mas promotores não são
simples botões liga-desliga.

Eles normalmente demandam
muita sintonia fina,

muitas coisas que devem estar presentes
e corretas antes de o gene ser ativado.

Assim, o que acontece geralmente
em estudos biotécnicos

é que usamos um promotor induzível,

sabemos como ligá-lo.

Acoplamos isso aos genes de interesse,

colocamos isso numa planta
e observamos como ela reage.

No estudo sobre o qual vou falar,

meus colaboradores usaram
um promotor indutor de secagem,

que descobrimos
numa planta de ressurreição.

O bom desse promotor
é que não precisamos fazer nada.

A própria planta sente a seca.

E usamos isso para introduzir genes
antioxidantes de plantas de ressurreição.

Por que genes antioxidantes?

Bem, todos os estresses,
particularmente o estresse da seca,

resultam na formação de radicais livres,

ou espécies de oxigênio reativo,

que são altamente danosos
e podem causar a morte da cultura.

Os antioxidantes detêm o dano.

Eis alguns dados de uma variedade
de milho bem popular na África.

À esquerda da flecha,
estão plantas sem os genes,

à direita,

plantas com os genes antioxidantes.

Depois de três semanas sem irrigação,

aquelas com os genes se saem muito melhor.

Vamos agora à abordagem final.

Minha pesquisa mostrou
uma semelhança considerável

entre os mecanismos
de tolerância à dessecação

em sementes e plantas de ressurreição.

Aí, eu pergunto: elas estão usando
os mesmos genes?

Ou, dito de uma outra forma,

as plantas de ressurreição
estão usando em suas raízes e folhas

genes da tolerância à dessecação
que evoluíram das sementes?

Será que nas plantas de ressurreição

a função dos genes da semente
foi transferida para suas raízes e folhas?

E respondo a essa pergunta,

como resultado de muita
pesquisa do meu grupo

e recentes colaborações do grupo
de Henk Hilhorst, na Holanda,

Mel Oliver, nos Estados Unidos,

e Julia Buitink, na França.

A resposta é sim, existe um grupo básico
de genes envolvidos em ambos.

Vou dar um exemplo bem básico
disso com o milho,

em que os cromossomos
abaixo do botão de desligar

representam todos os genes necessários
para a tolerância à dessecação.

À medida que as sementes do milho secam,
no fim de seu período de desenvolvimento,

elas ativam esses genes.

As plantas de ressurreição ativam
os mesmos genes quando secam.

Portanto, todas as culturas modernas
têm esses genes em suas raízes e folhas,

mas elas simplesmente não os ativam.

Elas somente os ativam
no tecido das sementes.

Por isso, agora estamos tentando

entender os sinais ambientais e celulares

que ativam esses genes
nas plantas de ressurreição,

para repetir o processo nas culturas.

E um pensamento final.

O que estamos tentando fazer
de forma bem rápida

é repetir o que a natureza fez
na evolução das plantas de ressurreição

cerca de 10 a 40 milhões de anos atrás.

Minhas plantas e eu agradecemos a atenção!

(Aplausos)