Pesquisa sobre desenvolvimento

A capacidade da cana-de-açúcar de acumular altos níveis de biomassa e de sacarose no colmo ao longo de seu desenvolvimento tornou a planta a mais usada para obter açúcar e a segunda maior matéria-prima para produção de etanol no mundo.

Já se sabia que a acumulação de biomassa e de sacarose pela planta está relacionada ao uso de metabólitos, como carboidratos não estruturais (NSCs), produzidos pelo processo de fotossíntese durante o dia. Não estava claro como as condições ambientais e os estágios de desenvolvimento da cana influenciam a produção de NSCs e afetam o crescimento da planta.

Um estudo realizado por pesquisadores do Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo (IB-USP), publicado na revista Functional Plant Biology, ajudou a esclarecer essa questão.

Os resultados do estudo, feito no âmbito do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol – um dos INCTs apoiados pela FAPESP em parceria com o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) no Estado de São Paulo –, podem contribuir para o desenvolvimento de estratégias voltadas a aumentar a produção de biomassa pela cana.

“Descrevemos, pela primeira vez, o comportamento diuturno da cana, no campo, durante todo um ciclo de desenvolvimento. Com isso, fizemos algumas descobertas interessantes e estratégicas na direção do nosso objetivo de produzir uma ‘supercana’ [capaz de acumular biomassa e altos teores de fibra rapidamente]”, disse Marcos Buckeridge, professor do IB-USP e um dos autores do estudo, à Agência FAPESP.

Os pesquisadores acompanharam um ciclo completo de crescimento da cana, de 12 meses, em campo, 24 horas por dia, em uma fazenda em Piracicaba, no interior de São Paulo. Eles analisaram parâmetros, como as trocas gasosas pelas folhas e a acumulação de NSCs durante diferentes estágios de desenvolvimento da planta.

Os resultados das análises dos dados indicaram que a cana apresenta uma transição entre três e seis meses de desenvolvimento, em que passa de um “modo” de crescimento para outro de armazenamento.

Até os três a quatro meses de desenvolvimento, em que são registradas as maiores taxas de fotossíntese, a cana forma uma copa operacional, com um determinado número de folhas. Após atingir esse estágio e até os seis meses de desenvolvimento, a cada folha produzida pela planta outra folha – geralmente da parte mais abaixo da copa – começa a envelhecer. Dessa forma, a cana mantém um determinado número de folhas.

A partir dos seis meses, a planta começa a armazenar sacarose, no colmo e nas raízes, e amido nas folhas até os 12 meses. Nessa fase, a cana-de-açúcar praticamente deixa de fazer fotossíntese e está pronta para ser cortada e usada para produção de açúcar e etanol.

“Sabíamos que a cana acumula açúcares durante a fase de desenvolvimento de seis a 12 meses, mas constatamos, agora, que isso acontece ao mesmo tempo em que diminui gradativamente a fotossíntese nas folhas, onde há um acúmulo muito grande de amido aos 12 meses”, disse Amanda Pereira de Souza, que fez pós-doutorado no IB-USP com Bolsa da FAPESP e é primeira autora do estudo.

Os pesquisadores também observaram que os açúcares que ficam guardados na raiz da cana cortada e mantida no solo após a soca para rebrotar e iniciar um novo ciclo ajudam a regenerar a parte inicial do desenvolvimento da nova planta.

Mais sacarose e amido

Outra descoberta foi a de que as folhas da cana abrem seus estômatos (estruturas celulares que têm a função de realizar trocas gasosas entre a planta e o meio ambiente) para absorver água durante a madrugada, em que a umidade é mais alta, entre seis e nove meses de desenvolvimento, quando a planta passa por um período de seca e faz menos fotossíntese.

“Achamos que isso pode estar relacionado com um mecanismo fisiológico de proteção da planta contra a seca”, disse Buckeridge.

Na avaliação do pesquisador, a detecção do ponto de transição da cana entre três e seis meses de desenvolvimento, em que passa da fase de crescimento para a de armazenamento de sacarose, abre a perspectiva de ativar e desativar genes que determinam o processo de acúmulo de açúcares em diferentes partes da planta.

“O entendimento de como cada órgão controla o acúmulo de açúcares na mesma planta abre caminho para o desenvolvimento tanto de uma cana com mais sacarose nas folhas ou uma cana com mais amido no colmo. Ambas as estratégias podem ser interessantes em diferentes situações”, disse Buckeridge.

Já a descoberta de que as folhas da cana abrem seus estômatos para absorver água na madrugada durante o período de seca pode possibilitar a identificação de variedades mais tolerantes ao estresse hídrico.

“Isso abre um leque de novas oportunidades para entendermos o efeito da seca sobre a cana, inclusive aspectos relacionados às suas respostas às mudanças climáticas”, afirmou.

O artigo Diurnal variation in gas exchange and nonstructural carbohydrates throughout sugarcane development (doi: 10.1071/FP17268), de Amanda P. De Souza, Adriana Grandis, Bruna C. Arenque-Musa e Marcos S. Buckeridge, pode ser lido na revista Functional Plant Biology em www.publish.csiro.au/FP/FP17268. Agência FAPESP –

Plantas geneticamente modificadas têm ajudado a aumentar a produção nos campos brasileiros e no mundo. A primeira cana-de-açúcar geneticamente modificada e comercializada é de origem brasileira. A cana CTC 20 Bt foi desenvolvida pelo Centro de Tecnologia Canavieira (CTC) e passou por avaliação da Comissão Técnica Nacional de Biossegurança (CTNBio) que a considerou segura sob os aspectos ambiental, de saúde humana e animal em meados do ano passado.  “A comercialização desta cana brasileira é um marco que reforça o potencial e a qualidade da pesquisa nacional e coloca o país na vanguarda das pesquisas com biotecnologia de plantas”, enfatiza o diretor de Etanol Celulósico e Assuntos Corporativos do CTC, Viler Janeiro.

A cana geneticamente modificada (GM) permite o controle mais eficiente e a redução das perdas em virtude do ataque de pragas, resultando em aumento de produtividade, redução de custo e melhoria da qualidade na indústria. O uso da cana transgênica ainda pode viabilizar a expansão da cultura em áreas onde a broca da cana é uma condição limitante, contribuindo para o aumento da competitividade do Brasil na produção de açúcar e etanol.

Segundo Janeiro, o processo de introdução da nova variedade tem sido muito positivo, Desde outubro de 2017 até o momento, cerca 400 hectares de mudas da variedade geneticamente modificada foram plantados nas principais usinas e fornecedores da região Centro-Sul do Brasil.

O diretor complementa que o crescimento da área com a CTC 20 Bt será gradual, uma vez que as novas plantas serão replantadas para expandir a área cultivada e não usadas para a produção de açúcar e etanol. “Este processo já ocorre na introdução de variedades convencionais e está alinhado com o cronograma de obtenção das aprovações internacionais do açúcar produzido a partir da cana geneticamente modificada”, explica.

Recentemente, a Health Canada, responsável por avaliar a segurança e o valor nutricional de alimentos no Canadá, aprovou o açúcar produzido a partir da CTC 20 Bt. Assim, de acordo com o órgão canadense, o açúcar proveniente da cana é tão seguro e nutritivo quanto os provenientes das variedades convencionais.

Exploração

Mesmo com um lançamento recente, o Centro de Tecnologia Canavieira ainda continua as pesquisas. O CTC ainda deve disponibilizar para o mercado outras variedades transgênicas resistentes à broca, principal praga que ataca a cultura no Brasil e causa prejuízos estimados em R$ 5 bilhões anuais ao setor sucroenergético. Viler explica que adicionalmente, o Centro trabalha no desenvolvimento de variedades resistente ao Sphenophorus levis  – bicudo da cana-de-açúcar -, além de espécies tolerantes a herbicidas e com projetos de desenvolvimento de uma cana-de-açúcar tolerante à seca. “Esses produtos estão em diferentes estágios de pesquisa e passarão pelos processos aprovação, de acordo com a legislação vigente, tão logo cheguem nesta fase”, conclui.

Outra empresa focada no desenvolvimento da transgenia em cana de açúcar é a Embrapa Agroenergia. Atualmente quatro projetos merecem destaque e seguem a mesma linha do CTC. Iniciado em 2008, a Embrapa desenvolve a variedade tolerante a déficit hídrico, que já foi a campo em duas localidades para testes– em Quirinópolis (GO) e em Valparaiso (SP)-, com o objetivo de avaliar a performance agronômica e parâmetros fisiológicos em condições reais de campo. Em parceria com o CTC, o Centro Internacional Japonês para Pesquisas em Ciências Agrícolas (Jircas), a Embrapa Agroenergia avaliou o potencial com o gene de tolerância a seca na cana, que já foi testado em outras culturas de plantas, como soja, amendoim, trigo, arroz e outras.

Os resultados em situação real de campo mostrou que o material tem uma característica interessante, tanto para a tonelada de cana por hectare (TCH) quanto o açúcar (TPH). “Mesmo passando pela seca, essas materiais conseguiram manter o TCH e a o TPH, também houve manutenção da biomassa e do açúcar em ambos os locais”.

Para reforçar os resultados, no mês de setembro, a espécie vai seguir para uma nova unidade de testes, na Fazenda Sucupira (DF), que é credenciada pela CTNBio. “Nesta etapa vamos fazer avaliações em condições reais por mais dois ciclos na cana planta e na soca”, explica o pesquisador da Embrapa, Hugo Molinari. Ainda não há previsão de este espécie ser comercializada.

Outro estudo é a tolerância da cana ao alumínio. Grande parte do solo do cerrado tem alta taxa deste elemento químico, que é toxico para produção agrícola, inclusive para a cana-de-açúcar. A calagem e a gessagem são opções de amenizar o problema, mas existe a alternativa de gerar uma variedade tolerante ao alumínio, permitindo ganho na produtividade, com a redução das perdas.

A pesquisa iniciou em 2011 e já passou por testes em laboratórios e casa de vegetação. A próxima etapa é ir a campo. “Os resultados são bem promissores”, avalia Molinari.  Para seguir para a próxima etapa, a pesquisa procura um solo que rico em alumínio, que ainda não foi corrigido pelo homem.

Outra pesquisa em destaque da Embrapa Agroenergia é a de modificação da parede celular, isso é, a biomassa visando atender o mercado de etanol de segunda geração (2G).Atualmente, o problema é acessar esses açúcares, que estão “aprisionados” em estruturas complexas presentes nos vegetais que elevam o valor do etanol de segunda geração.

Esta nova variedade em estudo tem como objetivo reduzir os custos por meio de uma biomassa diferenciada. Com as variedades em teste já é possível extrair até 28% a mais de açúcar. “Para este estudo estamos procurando parceiros para dar continuidade e avaliar todos os parâmetros do estudo de viabilidade técnica e econômica”, explica o pesquisador.

Parcerias recentes

Uma pesquisa recente, iniciada em novembro 2017, em parceria com uma startup PangeiaBiotech, Empresa Brasileira de Pesquisa e Inovação Industrial (Embrapii) e com o Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas Empresas (Sebrae) o objetivo de desenvolver variedades de cana-de-açúcar transgênica para controle biológico da broca-da-cana e facilitar o manejo da cultura com o herbicida glifosato.

Mesmo com pouco tempo de trabalho, Hugo afirma que já há resultados interessantes. O  material com dois genes Cry diferentes resistentes a broca e um gene resistente ao herbicida glifosato já esta na casa de vegetação para a realização de experimentos. Os primeiros testes já foram realizados, com a inoculação da broca nas folhas das plantas. Os pesquisadores esperaram duas semanas, para verificar se a broca ia se alimentar da cana. “Neste bioensaio tivemos sucesso. Das cerca de 120 materiais diferentes testados, 90% resistiram à broca. Agora estamos fazendo os testes com os herbicidas para fazer novos testes”, avalia.

Após estas avaliações, novas serão feitos para verificar se não há efeitos indesejados, como comprometimento do crescimento da planta, redução do colmo, isso é, alguma diferença estrutural da planta mãe. “Após esta fase selecionamos os materiais que vão a campo,” explica Hugo..

Canal-Jornal da Bioenergia

A cana-energia também conhecida como “super cana” é uma variedade genética desenvolvida com mais folhas e fibras e dedicada para ser matéria-prima na produção de energia elétrica ou etanol de segunda geração, a partir da palha e do bagaço e para produção de químicos a partir de material celulósico.  Assim, a característica desta variedade é ter muita folha e baixo teor de açúcar. Embora muito mais produtivas do que a cana convencional, um dos obstáculos do maior uso desta variedade é a dificuldade de cristalizar a sacarose de seu caldo para produção de açúcar de mesa –  que é o produto mais rentável para as usinas.

A pesquisa

Assim, a um grupo de pesquisadores do Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE) desenvolveu uma levedura a partir da levedura comercial Pedra 2 – uma das mais utilizadas no Brasil para produção de etanol desenvolvida na Usina da Pedra –, que possibilitou superar essa dificuldade. A levedura comercial, ainda sem nome, foi patenteada no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) e já pode se utilizado comercialmente no setor sucroenergético.

A pesquisa multidisciplinar envolveu pesquisadores da área de biologia molecular, processos e industrial e foi desenvolvida por Paulo Eduardo Mantelatto, Jaciane Lutz Ienczak, Leandro Vieira dos Santos, Tassia Lopes Junqueira, Charles Dayan Farias de Jesus e Gonçalo Amarante Guimarães Pereira sob a coordenação da responsável pelo programa de Cana-Energia do Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE) do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), Maria Carolina Grassi.

No caldo da cana-energia são encontrados basicamente três tipos de açúcares: glicose, frutose e sacarose. O último é o açúcar de mesa, mas índice do mesmo da “super cana” não é alto, assim, quando se tenta cristalizar o caldo  o processo não é realizado. Diferentemente da cana tradicional, que a quantidade da sacarose é alta. “Na cana tradicional a cristalização é fácil. Na cana-energia, o índice dos outros açucares atrapalha no processo”, explica Carolina.

A levedura modificada consome apenas a glicose e a frutose do caldo da “super cana”. A novidade desenvolvida em laboratório consome primeiro os açucares não utilizados na cristalização, produzindo o álcool a partir disto e, depois, o açúcar que sobrou, que é apenas sacarose, é facilmente cristalizado.

Com o uso da levedura modificada, a produção de açúcar varia de acordo com a variedade da cana-energia. “Com o uso da levedura a cana-energia terá a mesma concentração da cana tradicional ou até um pouco mais, o obstáculo da cana energia que era a produção de açúcar foi resolvido”, pontua.

A “Super cana”

Esta variedade genética é obtida a partir do cruzamento de Saccharum officinarum – selvagem e rica em açúcar – e Saccharum spontaneum – selvagem e rica em biomassa-, que apresentam maior teor de fibras e robustez. E já está no mercado sendo desenvolvida atualmente pelas empresas privadas –  Vignis, GranBio- e pelas agências governamentais –  Instituto Agronômico (IAC) e Rede Interuniversitária para o Desenvolvimento do Setor Sucroenergético (Ridesa).

A ideia inicial da cana-energia é uma variedade com muita biomassa e uma alta produtividade. Por isso, para se mensurar, um hectare de cana-energia gera 170 toneladas, já a tradicional o resultado é de 90 a 95 toneladas por hectare. Em fibras, a primeira tem 27% na composição e a segunda entre 15 a 17%. Esses valores são variáveis. Mas, no entanto, o mercado de açúcar é muito grande. Mas neste quesito, a cana-energia apresenta um número inferior a tradicional, em média 8,5% por indivíduo, quanto a tradicional é de 12%.

Para o investidor, aumentar a produção de açúcar da cana-energia é um caminho viável. Segundo Maria Carolina Grassi, a cana-energia pode ser a solução para a perda de produtividade nos canaviais brasileiros. “Nos últimos anos a produção decresceu devido à mecanização, no qual houve o aumento do pisoteio dos canaviais pelas máquinas, perdendo a rebrota da cana na próxima safra”, explica.

Ainda está em estudo, mas cana-energia se apresenta também mais resistente em comparação a tradicional, sofre menos com o estresse hídrico – ausência ou chuva em excesso – , resiste mais as pragas e consegue possui uma média de corte superior, uma média de dez cortes. A tradicional chega a cinco cortes decrescentes.

Canal-Jornal da Bioenergia

Com mais de 7 milhões de hectares plantados e uma produção anual de 480 milhões de toneladas, o Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar e líder em tecnologia de etanol, conforme informações veiculadas pela Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa). No entanto, apesar da importância do produto na economia brasileira e de todo o esforço de pesquisa já direcionado ao setor, a evolução do genoma da cana-de-açúcar constituiu, até recentemente, um tema pouco entendido. Um novo estudo veio trazer substantiva contribuição ao seu esclarecimento. Trata-se de “Analysis of three sugarcane homo/homeologous regions suggests independent polyploidization events of Saccharum officinarum and Saccharum spontaneum”, publicado em Genome Biology and Evolution.

O estudo foi apoiado pela FAPESP por meio dos projetos de pesquisa “Variação alélica em cana-de-açúcar: quantificação do polimorfismo de sequência” e “Sugarcane genome sequence: plant transposable elements are active contributors to gene structure variation, regulation and function”.

Embora pareça uma planta simples, a cana-de-açúcar moderna possui um genoma extremamente complexo. “O objetivo do estudo foi entender como esse genoma se constituiu e como ele funciona”, disse Mariane de Mendonça Vilela, uma das primeiras autoras do artigo, à Agência FAPESP.

Uma das causas dessa complexidade genômica é a tendência da cana à poliploidia – isto é, à multiplicação de cromossomos homólogos. “O genoma da maioria dos organismos, inclusive do organismo humano, é diploide, ou seja, apresenta duas cópias para cada cromossomo – cada cópia provida por um dos genitores. Porém o gênero Saccharum, ao qual pertencem a cana-de-açúcar moderna e suas espécies antecessoras, é poliploide, com mais de duas cópias de cada cromossomo. Na cana-de-açúcar moderna, o número de cromossomos homólogos varia de oito a 14. E esse número não é o mesmo para todos os cromossomos, o que complica ainda mais o estudo deste genoma”, afirmou Vilela.

Além dessa causa, existe outra, decorrente da própria história do desenvolvimento da cana. “A cana-de-açúcar moderna é um produto da ação humana, resultante do cruzamento da Saccharum officinarum com a Saccharum spontaneum, há pouco mais de um século. O propósito desse cruzamento foi produzir uma planta capaz de reunir as maiores virtudes das duas espécies: a riqueza em açúcar da officinarum e a rusticidade da spontaneum”, disse Luiz Eduardo Vieira Del Bem, que partilhou com Vilela a primeira autoria do artigo.

Depois desse primeiro cruzamento, para aumentar o teor de açúcar, houve novos cruzamentos do híbrido com a officinarum, fazendo com que, geração após geração, a frequência do genoma da officinarum aumentasse em relação à do genoma da spontaneum, chegando atualmente, segundo ele, à proporção de 80% para 20%. “Um ‘efeito colateral’ desses cruzamentos sucessivos foi que cromossomos das espécies parentais acabaram sendo perdidos e se recombinando entre si no processo, resultando daí uma complexidade genômica ainda maior”, explicou Del Bem.

Assim, entre variedades distintas da cana moderna, é possível encontrar conteúdos cromossômicos diferentes, de 80 a 120 cromossomos. Muitas vezes, essas variedades estão plantadas a poucos metros de distância, uma de um lado e a outra do outro lado da estrada que atravessa os canaviais.

O vegetal mais próximo da cana é o sorgo. Os dois gêneros se separaram em uma época compreendida no intervalo de 7 milhões a 9 milhões de anos atrás – mais ou menos o mesmo período no qual o gênero Homo, ao qual pertence o homem moderno, se separou do gênero Pan, ao qual pertence o chimpanzé. Assim como o homem, o sorgo é diploide, ao passo que o gênero Saccharum desenvolveu a já mencionada propensão à poliploidia – que pode ocorrer tanto nos cruzamentos de uma espécie com outra quanto nos cruzamentos dentro de cada espécie.

“O que nós conseguimos descobrir em nosso estudo foi que ocorreram pelo menos duas rodadas de autoduplicação cromossômica na espécie officinarum depois que ela se diferenciou da espécie spontaneum, entre 2,5 e 3,5 milhões de anos atrás, e antes que as duas espécies fossem cruzadas pelo homem, há pouco mais de um século. No caso da espécie spontaneum, o cenário é mais complicado, porque o número de cromossomos é muito variável. Mas também descobrimos que ocorreram autoduplicações no mesmo período”, relatou o pesquisador.

Uma das linhas de investigação do estudo foi entender como o genoma se organiza para acomodar e harmonizar essas multiplicações de cromossomos homólogos. “Quando o número de cromossomos aumenta, o número de genes aumenta proporcionalmente. Quais os mecanismos desenvolvidos pela planta para integrar e estabilizar essa grande quantidade de genes? Esta foi a pergunta que orientou essa linha específica de investigação”, disse Vilela.

“Alguns genes, especialmente os de regulação, que controlam, por exemplo, o momento de florescimento da planta, ou a resposta da planta ao estresse ambiental, precisam ter uma expressão muito fina, muito bem definida, senão acabam causando mais danos do que benefícios. E realmente nosso estudo confirmou isso. Observamos que, apesar de a cana-de-açúcar ter, no mínimo, oito cópias de cada cromossomo, nem todas elas se encontram ativas ao mesmo tempo. Essa é uma informação que poderá, eventualmente, ser utilizada em alguma aplicação tecnológica futura”, sublinhou a pesquisadora.

As datações obtidas pelo estudo, revelando que as autoduplicações cromossômicas das espécies genitoras ocorreram depois de sua diferenciação, entre 2,5 e 3,5 milhões de anos atrás, basearam-se na chamada “teoria do relógio molecular”. Del Bem explicou, em linhas gerais, o procedimento.

“No código genético, existem várias trincas de nucleotídeos que codificam aminoácidos. Há 64 trincas possíveis, mas apenas 20 aminoácidos. Conclui-se, então, que existem mutações que não afetam a função. A base muda, mas o aminoácido codificado é o mesmo, porque trincas diferentes produzem aminoácidos iguais. Essas mutações são denominadas ‘substituições sinônimas’. A seleção natural é incapaz de ‘enxergá-las’, porque sua ocorrência não altera a proteína. Assim, a seleção natural nem determina que aumentem de frequência por serem benéficas, nem que sejam descartadas por serem prejudiciais. Essas substituições, que ficam flutuando em frequência nas populações, constituem o ‘tique-taque’ do ‘relógio molecular’. Baseados na taxa de mutação em gramíneas, que já havia sido determinada experimentalmente, e na comparação das sequências das regiões genômicas homólogas que analisamos, conseguimos calcular o número de gerações em que se duplicaram; e, por decorrência, o intervalo de tempo das duplicações cromossômicas”, resumiu.

“Nossas conclusões basearam-se na análise de três genes que – temos quase certeza – são únicos, com apenas uma cópia nos genomas das gramíneas em geral. Um deles é a quinase TOR, que controla o crescimento em resposta à nutrição. Outro é o gene Leafy, que controla o florescimento. E o terceiro é o fitocromo C, que controla a fotorrecepção. São três genes cruciais para o desenvolvimento da planta. E que, exatamente por isso, precisam ser regulados de maneira fina no genoma”, comentou o professor Michel Vincentz, do Instituto de Biologia da Universidade Estadual de Campinas (IB-Unicamp), que coordenou o estudo e também assina o artigo publicado em Genome Biology and Evolution.

“A grande surpresa foi descobrir que, devido ao complexo processo de autopoliploidização das espécies precursoras, genes homólogos passaram a se expressar de maneira diferente. É um resultado novo na literatura que mostra que a complexidade do genoma da cana é muito maior do que imaginávamos. Parece que, em algum momento da evolução desse genoma, houve uma invasão dos loci cromossômicos por transposons [sequências de DNA capazes de se movimentar de uma região para outra do genoma]. E, quando o transposon se insere em um locus, ele muda a expressão desse locus”, concluiu o coordenador.

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