Desde a descoberta dos fertilizantes nitrogenados em base, o nitrogênio sintético trouxe um aumento significativo no rendimento das culturas.
Porém, apenas 30 – 50% do N aplicado é absorvido pelas plantas.
Assim, tem-se procurado estratégias mais favoráveis ao ambiente e de baixo custo para melhorar a eficiência do uso de nitrogênio pelas culturas, sendo uma dessas estratégias a Engenharia Genética.
O nitrogênio, junto ao fósforo e potássio, é um dos macronutrientes primários esssenciais para garantir a sobrevivência das plantas.
O mesmo é importante para o crescimento e desenvolvimento vegetal, tendo papel fundamental nos processos metabólicos para a produção de ácidos nucleicos e proteínas, além de ser um componente básico da clorofila, vital para fotossíntese 1.
O nitrogênio é abundante na atmosfera, mas não em forma de amônia, molécula usada pelas plantas através da fixação por bactérias.
Uso do nitrogênio pelas plantas
A fixação biológica de nitrogênio em algumas plantas é realizada através do metabolismo de bactérias simbióticas ou de vida livre.
Uma das bactérias simbióticas mais comuns envolvida na fixação de nitrogênio é Rhizobium, que se reproduz nas raízes das leguminosas.
- O Rhizobium, uma semana após ter infectado a planta, forma nódulos brancos ou cinzentos nas raízes e, graças à ação da enzima nitrogenase, converte o nitrogênio gasoso (N2) em amônia (NH3).
O amoníaco é usado pelas plantas para produzir aminoácidos e outras moléculas que contém nitrogênio2 .
Quando a fixação de nitrogênio ocorre, os nódulos aumentam o tamanho e mudam para uma coloração rosa, devido à leghemoglobina, proteína que controla o fluxo de oxigênio na bactéria3 .
As plantas que não formam este tipo de associações com bactérias adquirem o nitrogênio diretamente do solo, o que acaba representando um problema, já que o uso frequente dos solos em áreas agrícolas esgota o nitrogênio, fazendo necessária a aplicação de fertilizantes nitrogenados.
Desde a descoberta dos fertilizantes nitrogenados em base, o nitrogênio sintético trouxe um aumento significativo no rendimento das culturas.
Porém, apenas 30-50% do N aplicado é absorvido pelas plantas, fazendo com que o produto remanescente tenha um considerável impacto ambiental, contribuindo com as florações de algas e a hipóxia (redução de oxigênio na água), o que acarreta perdas significativas na vida e diversidade aquática.
Assim, tem-se procurado estratégias mais favoráveis ao ambiente e de baixo custo para melhorar a eficiência do uso de nitrogênio pelas culturas, sendo uma dessas estratégias a Engenharia Genética4.
Engenharia genética do uso de nitrogênio
Melhorar a eficiência do uso de nitrogênio pelas plantas demada a manipulação de vários genes envolvidos na absorção, translocação e remobilização do nitrogênio, assim como do metabolismo do carbono, alvos de sinalização e elementos reguladores.
Vários genes que controlam estes processos foram descritos (Tabela 1) e investigados para entender se sua manipulação pode levar a uma melhor utilização de N pelas plantas5 .
| Gene(s) | Resultado(s) | Referência |
| Genes nif Klebsiella pneumoniae | Função nitrogenase ativada em Escherichia coli. | Swain & Abhijita, 2013 |
| GS1 Tabaco | Aumento da produção de grãos e de biomassa, bem como melhora o conteúdo de nitrogênio em trigo, tabaco e milho. | Oliveira et al., 2002. |
| AS1 Arabidopsis | Melhora o teor de proteína solúvel da semente, teor de proteína total e melhor crescimento em meio com limitação de nitrogênio. | Lam et al., 2003. |
| Dof1 Milho | Melhora o crescimento em meio com limitação de nitrogênio, bem como reforça a assimilação do nitrogênio. | Yanagisawa, 2000. |
| OsNADH-GOGAT1 Arroz | Aumento do peso da espigueta em até 80%. | Yamaya et al., 2002. |
| AlaAT Cevada | Produção e degradação de alanina (funciona como transportador intercelular de nitrogênio e carbono) em arroz | Shrawat et al., 2008. |
| STP13 Arabidopsis | Aumento do crescimento vegetal e uso do nitrogênio. | Schofield et al., 2009. |
Estado das culturas genéticamente modificadas para aprimorar uso de nitrogênio
O milho é uma das culturas em estudo para melhorar a eficiência no uso de nitrogênio, pois é uma cultura alimentar importante globalmente e que requer grandes quantidades de fertilizantes nitrogenados.
No entanto, como a maioria das culturas, o milho só absorve uma pequena quantidade de N que lhe é aplicada, trazendo problemas econômicos aos produtores.
Em 2008, DuPont e Arcadia Biosciences anunciaram que completaram cinco anos de testes de campo de um híbridode milho mais eficiente no uso de N, o que pode levar a uma melhora na economia agrícola, bem como trazer os efeitos ambientais positivos6 .
Em 2012, o Australian Centre for Plant Functional Genomics (ACPFG) e o Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) anunciaram sua colaboração com Vilmorin & Cie no desenvolvimento de um material de trigo eficiente no uso de nitrogênio com o objetivo de reduzir a utilização de fertilizantes nitrogenados na Austrália.
O desenvolvimento de um trigo geneticamente modificado para o uso de nitrogênio terá um impacto significativo em 35% da população mundial, onde o trigo é um alimento básico e representa cerda de 20% do consumo total de proteínas7 .
O CSIRO pediu licença para realizar investigações e manipulações envolvendo 17 linhagens de trigo e 10 de cevada que foram geneticamente modificados para melhorar a eficiência do uso de nutrientes em uma escala limitada e sob condições controladas8 .
O arroz é a segunda maior cultura em termos de cultivos e um alimento de primeira necessidade para mais da metade da população mundial. Arcadia Biosciences, a African Agricultural Technology Foundation (AATF) e o International Center for Tropical Agriculture (CIAT) informaram que em 2013 foram concluídos dois anos de testes na Colômbia em um arroz eficiente no uso de nitrogênio.
Os pesquisadores integraram a tecnologia de eficiência do uso de N com variedades do New Rice for Africa (NERICA), desenvolvida pelo Africa Rice Center. Os testes mostraram que com uma aplicação de 50% da quantidade usual de nitrogênio as linhagens de arroz transgênico foram 22% mais produtivas que a variedade NERICA (convencional), no primeiro ano, e 30% no segundo9 .
A canola é uma das oleaginosas mais importantes do mundo. Suas sementes contêm 44% de óleo, mais do dobro do teor de óleo que a soja, além de seu óleo ser mais saudável para o coração e também pode ser utilizado como biodiesel, devido ao excepcional desempenho em clima frio.
A partir de 2007, Arcadia Biosciences completou cinco temporadas de testes de campo com canola, mostrando que as plantas tiveram o mesmo rendimento que as variedades convencionais, mas apenas a metade de adubação nitrogenada foi usada. Quando a mesma quantidade de nitrogênio foi usada com as plantas convencionais o rendimento aumentou aproximadamente 15%10 .
SES VanderHave e Arcadia Biosciences realizaram três anos de testes de campo para avaliar o desempenho produtivo de variedades geneticamente modificadas para o uso de nitrogênio de beterraba. Os resultados mostram que as variedades experimentais apresentaram melhores rendimentos que os controles, com diferentes aplicações de fertilizantes ao longo de vários anos. Atualmente, estão preparando os dados regulamentares que devem ser disponíbilizados para todas as licencias de OGMs11 .
Já a cana-de-açúcar, cultivada em 25 milhões de hectares em todo o mundo, o que a torna a maior cultura produtora de açúcar do mundo, o nitrogênio cumpre papel fundamental para que seus rendimentos aumentem. O South African Sugarcane Research Institute e Arcadia Biosciences anunciaram, em 2011, a sua colaboração na produção de variedades de alto rendimento da cana-de-açúcar que exigem metade da quantidade de fertilizante nitrogenado necessário para as variedades convencionais12 .
Uma previsão para o futuro no uso de nitrogênio
Um estudo de longo prazo revelou que 30 anos após a aplicação de fertilizantes nitrogenados, 12-15% do nitrogênio derivado dos fertilizantes ainda estava presente na matéria orgânica do solo, enquanto 8-12% do fertilizante lixiviou para o lençol freático.
O estudo indica que parte dos fertilizantes nitrogenados remanescentes no solo continua sendo reabsorvida pelas plantas e prevê que a lixiviação se manterá na forma de nitrato por pelo menos mais de 50 anos13.
Com o desenvolvimento de culturas eficientes no uso de nitrogênio as preocupações ambientais, como as descritas anteriormente, seriam dissipadas ou pelo menos reduzidas. Ao mesmo tempo os agricultores poderão diminuir as perdas econômicas devido ao uso de fertilizantes nitrogenados.
Referências
1 Engineering Nitrogen Use Efficient Crop Plants. 2012. C. H. McAllister, P. H. Beatty, and A. G. Good. Plant Biotech. J., DOI: 10.1111/j.1467- 7652.2012.00700.x.
2,4 Biology (6th edition). 2001. R. Raven, G. Johnson, S. Singer, J. Losos, W. Ober, and C. Garrison. McGraw-Hill.
3 Nitrogen Fixation by Legumes. 2003. W.C. Lindemann. C.R. Glover. New Mexico State University. http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A129/.
5,8 Improving Plant Nitrogen-Use Efficiency. 2011. R.R. Pathak, S. Lochab, and N. Raghuram. In: Murray Moo-Young (ed.), Comprehensive Biotechnology, Second Edition, volume 4, pp. 209-218. Elsevier.
6 DuPont and Arcadia Biosciences Collaborate to Improve Nitrogen Use Efficiency in Corn. 2008. Arcadia Biosciences. http://www.arcadiabio.com/news/press-release/dupont-and-arcadiabiosciences-collaborate-improve-nitrogen-use-efficiency-corn.
7ACPFG and CSIRO Join Forces with Vilmorin & Cie to Commercialise Nitrogen Use Efficiency Wheat in Australia. 2012. CSIRO. http://www.csiro.au/Organisation-Structure/Flagships/Food-FuturesFlagship/FFF_News/NUEAgreement.aspx.
9 Field Trials of New Nitrogen Use Efficient Rice Show Increased Productivity, Leading to Increased Food Security and Reduced Fertilizer Dependence. 2013. Arcadia Biosciences. http://www.arcadiabio.com/news/press-release/field-trials-new-nitrogenuse-efficient-rice-show-increased-productivity-leading.
10 Development of Commercial Nitrogen Use Efficient Canola Varieties Shows Early Development Success. 2007. Arcadia Biosciences. http://www.arcadiabio.com/news/press-release/development-commercialnitrogen-use-efficient-canola-varieties-shows-early-develo.
11 Sesvanderhave and Arcadia Biosciences Achieve Field Performance Milestone for Nitrogen Use Efficient Sugar Beets. 2012. Sesvanderhave. http://www.sesvanderhave.com/sites/default/files/files/12_06_04_SES_PR _Final.pdf.
12 Arcadia Biosciences and South African Sugarcane Research Institute to Develop Nitrogen Use Efficient Sugarcane. 2011. Arcadia Biosciences. http://www.arcadiabio.com/news/press-release/arcadia-biosciences-andsouth-african-sugarcane-research-institute-develop-nitrog. 1
3 Long-term Fate of Nitrate Fertilizer in Agricultural Soils. 2013. M. Sebilo, B. Mayer, B. Nicolardot, G. Pinay, and A. Mariotti. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. DOI: 10.1073/pnas.1305372110.
