Um estudo da Cornell descreve um avanço na busca para melhorar a fotossíntese em certas culturas, um passo para adaptar as plantas às rápidas mudanças climáticas e aumentar os rendimentos para alimentar 9 bilhões de pessoas projetadas até 2050.
O estudo, “Melhorando a eficiência da Rubisco ressuscitando seus ancestrais na família Solanaceae”, foi publicado em 15 de abril na Science Advances. O autor sênior é Maureen Hanson, o Liberty Hyde Bailey Professor de Biologia Molecular de Plantas na Faculdade de Agricultura e Ciências da Vida. O primeiro autor Myat Lin é um associado de pesquisa de pós-doutorado no laboratório de Hanson.
Os autores desenvolveram uma técnica computacional para prever sequências de genes favoráveis que tornam a Rubisco, uma enzima vegetal chave para a fotossíntese. A técnica permitiu que os cientistas identificassem enzimas candidatas promissoras que poderiam ser projetadas em culturas modernas e, em última análise, tornar a fotossíntese mais eficiente e aumentar o rendimento das culturas.
Seu método baseou-se na história evolutiva, onde os pesquisadores previram os genes da Rubisco de 20 a 30 milhões de anos atrás, quando os níveis de dióxido de carbono (CO2) da Terra eram mais altos do que são hoje e as enzimas Rubisco nas plantas foram adaptadas a esses níveis.
Ao ressuscitar a antiga Rubisco, os primeiros resultados mostram a promessa de desenvolver enzimas Rubisco mais rápidas e eficientes para incorporar nas culturas e ajudá-las a se adaptar a condições futuras quentes e secas, à medida que as atividades humanas estão aumentando as concentrações de gás CO2 na atmosfera da Terra.
O estudo descreve as previsões de 98 enzimas Rubisco em momentos-chave na história evolutiva das plantas da família Solanaceae, que incluem tomate, pimenta, batata, berinjela e tabaco. Pesquisadores usam o tabaco como modelo experimental para seus estudos da Rubisco.
“Conseguimos identificar enzimas ancestrais previstas que têm qualidades superiores em comparação com as enzimas atuais”, disse Hanson. Lin desenvolveu a nova técnica para identificar as enzimas Rubisco antigas previstas.
Os cientistas sabem que podem aumentar o rendimento das colheitas acelerando a fotossíntese, onde as plantas convertem CO2, água e luz em oxigênio e açúcares que as plantas usam para obter energia e construir novos tecidos.
Por muitos anos, os pesquisadores se concentraram na Rubisco, uma enzima lenta que extrai (ou fixa) o carbono do CO2 para criar açúcares. Além de ser lenta, a Rubisco às vezes também catalisa uma reação com o oxigênio do ar; ao fazê-lo, cria um subproduto tóxico, desperdiça energia e torna a fotossíntese ineficiente.
O laboratório de Hanson já havia tentado usar Rubisco de cianobactérias (algas verde-azuladas), que é mais rápida, mas também reage prontamente com o oxigênio, forçando os pesquisadores a tentar criar microcompartimentos para proteger a enzima do oxigênio, com resultados mistos. Outros pesquisadores tentaram projetar uma Rubisco mais otimizada fazendo mudanças nos aminoácidos da enzima, embora pouco se soubesse sobre quais mudanças levariam aos resultados desejados.
Neste estudo, Lin reconstruiu uma filogenia – um diagrama em forma de árvore mostrando a relação evolutiva entre grupos de organismos – de Rubisco, usando plantas Solanaceae.
“Ao obter muitas sequências [genéticas] de Rubisco em plantas existentes, uma árvore filogenética poderia ser construída para descobrir quais Rubiscos provavelmente existiam de 20 a 30 milhões de anos atrás”, disse Hanson.
A vantagem de identificar potenciais sequências antigas de Rubisco é que os níveis de dióxido de carbono eram possivelmente tão altos quanto 500 a 800 partes por milhão (ppm) na atmosfera há 25 milhões a 50 milhões de anos. Hoje, os níveis de CO2 de retenção de calor estão aumentando acentuadamente devido a muitas atividades humanas, com medições atuais em torno de 420 ppm, depois de permanecerem relativamente constantes abaixo de 300 ppm por centenas de milênios até a década de 1950.
Lin, Hanson e colegas usaram um sistema experimental desenvolvido para o tabaco no laboratório de Hanson e descrito em um artigo da Nature Plants de 2020, que emprega bactérias E. coli para testar em um único dia a eficácia de diferentes versões da Rubisco. Testes semelhantes feitos em plantas levam meses para serem verificados.
A equipe descobriu que as antigas enzimas Rubisco previstas nas plantas Solanaceae modernas mostraram uma promessa real de serem mais eficientes.
“Para a próxima etapa, queremos substituir os genes da enzima Rubisco existente no tabaco por essas sequências ancestrais usando a tecnologia CRISPR [edição de genes] e medir como isso afeta a produção de biomassa”, disse Hanson. “Certamente esperamos que nossos experimentos mostrem que, adaptando a Rubisco às condições atuais, teremos plantas que darão maiores rendimentos.”
Se o método for bem-sucedido, essas sequências eficientes de Rubisco poderão ser transferidas para culturas como tomate, bem como para outras famílias de plantas, como soja e arroz.
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