Sumário:
Melhoramento de Plantas
Introdução:
O melhoramento de plantas utiliza o cruzamento deliberado de indivíduos intimamente ou distantemente relacionados para produzir novos cultivares com propriedades genotípicas e fenotípicas desejáveis. Durante esse processo de cruzamento, os fatores ambientais devem ser adequados para um melhoramento acelerado e assertivo. A iluminação definida pela radiação fotossintéticamente ativa é um dos fatores de maior relevância para o processo de crescimento e desenvolvimento, além de controlar as respostas ao fotoperiodismo como alteração do ciclo circadiano, em plantas sensíveis ao fotoperíodo, sendo possível adiantar ou retardar o florescimento pelo manejo da iluminação artificial, que contempla o tempo de exposição, a qualidade espectral e a intensidade luminosa.
Desafios no Aumento da Produção Global de alimentos
Contextualização:
“Diversos estudos têm demonstrado que a produção global de alimentos precisa dobrar até 2050 para atender às demandas projetadas do aumento da população, mudanças na dieta e o crescente consumo de biocombustíveis. Aumentar os rendimentos das colheitas para suprir essas crescentes demandas, em vez de desmatar mais terras para a agricultura, tem sido destacado como uma solução preferencial para atingir esse objetivo. No entanto, precisamos primeiro compreender como os rendimentos das colheitas estão mudando globalmente e se estamos no caminho certo para dobrar a produção até 2050. Utilizando 2,5 milhões de estatísticas agrícolas coletadas para 13.500 unidades políticas em todo o mundo, foram monitorados quatro cultivos-chave globais – milho, arroz, trigo e soja – que atualmente produzem quase dois terços das calorias agrícolas globais. Descobriu-se que os rendimentos (produtividade) dessas quatro principais culturas estão aumentando a taxas não cumulativas de 1,6%, 1,0%, 0,9% e 1,3% ao ano, respectivamente, o que é inferior à taxa de 2,4% ao ano necessária para dobrar a produção global até 2050. Nessas taxas, a produção global desses cultivos aumentaria apenas 67%, 42%, 38% e 55%, respectivamente, o que está muito aquém do necessário para atender às demandas projetadas em 2050.
O Que é Speed Breeding e sua Aplicação Prática
Para diminuir o tempo dispendido em programas tradicionais de melhoramento genético, algumas técnicas são interessantes e apresentam bons resultados. O Speed breeding é uma delas, pois em ambiente controlado manipula e acelera o ciclo natural da cultura.
Funcionamento do Speed Breeding e Sucesso no Desenvolvimento de novas genéticas
Em tradução livre o termo Speed Breeding significa: Cruzamento acelerado. É um mecanismo com o objetivo de reduzir o ciclo de melhoramento e acelerar a pesquisa de culturas, por meio do avanço rápido das gerações. O Speed Breeding consiste basicamente em utilizar condições artificiais controladas de luz, temperatura, CO² e nutrição, para aumentar a taxa de crescimento e desenvolvimento das plantas. Com este controle, os ciclos são acelerados, tornando possível a redução do intervalo entre a obtenção das gerações acelerando o processo e obtenção de estabilidade genética e novos cultivares.
Desenvolvimento e Exemplos Práticos de Speed Breeding
Lee Hickey, um dos cientistas da University of Queensland, em parceria com a Dow AgroSciences, desenvolveu a primeira variedade de trigo de alta proteína e tolerância à germinação pré-colheita. Essa cultivar foi desenvolvida utilizando-se metodologias do Speed Breeding. A variedade recebeu o nome de ‘DS Faraday’, e foi lançada no mercado em 2018.
Potencialidades e Protocolos do Speed Breeding
Não há um protocolo universal de Speed Breeding que possa ser utilizado para todas as culturas. Isso acontece devido à grande diversidade quanto as respostas ao fotoperíodo. No entanto, a técnica pode ser usada para uma grande variedade de culturas como trigo, cevada, grão de bico, canola, ervilha, soja. Além disso, adaptações já estão sendo estudadas para o melhoramento de culturas como o feijão bóer, painço, sorgo e amendoim.
Desafios e Viabilidade do Speed Breeding
Um dos principais desafios do Speed Breeding é o controle das condições necessárias para o cultivo, como fotoperíodo, temperatura, umidade e infestações por doenças ou pragas. Porém, com um ambiente que inclua extensão no fotoperíodo, certo cuidado no controle dos fatores ambientais das instalações, e treinamento de pessoal, isso pode ser facilmente solucionado. Os pesquisadores envolvidos na elaboração e desenvolvimento da técnica afirmam ainda que o desenvolvimento sob o Speed Breeding, embora acelerado, não altera a qualidade das sementes, que permanecem completamente viáveis.
Contribuição do Speed Breeding para o Aumento da Eficiência no Melhoramento de Plantas
O Speed Breeding tem grande importância para atender as demandas do crescimento populacional nas próximas décadas, em um contexto de mudança das condições ambientais, uma vez que oferece alternativa para minimizar os efeitos das perdas por estresses bióticos e abióticos causados pelas mudanças climáticas, nas culturas que encontraram as condições adversas nas terras agricultáveis do futuro. Integrado a outras técnicas moleculares e modernas representa menor tempo e maior eficiência em programas de melhoramento genético, assim, fornecendo em tempo hábil genótipos adaptados as novas condições frente as mudanças do clima.
Detalhes do Speed Breeding: Iluminação Artificial
Regime de Luz Ideal para Floração Precoce e Altura Controlada
Os experimentos conduzidos para otimizar o protocolo de Speed Breeding para a soja utilizando ajustes de fotoperíodo e composição espectral são promissores. Visando determinar os parâmetros ótimos da iluminação artificial não apenas para manter a floração precoce, mas também para reduzir a altura das plantas para sistemas de cultivo compactos e verticalizado, como as tendas de cultivo e propagação da Master Plants.
Razão de Luz Vermelha/Azul e Adição de Luz Verde
A análise das razões de luz vermelha/azul revelou que uma menor razão resulta em plantas mais curtas e robustas sem afetar o tempo de floração. A inclusão de luz verde (500-560 nm) no protocolo não impacta significativamente o tempo de floração ou a altura da planta, mas melhora significativamente a avaliação visual em termos de saúde da planta e presença de pragas. Assim, um protocolo eficaz de Speed Breeding em vários andares para a soja deve ter uma baixa razão de luz vermelha/azul, com LEDs verdes ou brancos frios incluídos para otimizar observações visuais, diagnose e fenotipagem e seleção das plantas.
Infravermelha Distante
Descobriu-se que a luz infravermelha distante, acima de 700 nm, não afeta o tempo de floração, mas resulta em uma morfologia indesejada das plantas de soja. Pecíolos severamente alongados levam ao tombamento, prejudicando a robustez das plantas. Portanto, o protocolo de iluminação do Speed Breeding para a soja deve evitar comprimentos de onda infravermelhos distantes para garantir plantas robustas e adequadas a sistemas compactos de alto rendimento.
Avaliação da Intensidade da Luz e Seu Impacto
Em fotoperíodos de 10 horas, a intensidade da luz desempenha um papel crucial para que se atinja adequada integral de luz diária conhecida pela sigla DLI. Aumentar a intensidade acima de 1000 µmol m² s¹ resultou em uma floração cerca de 2 dias mais cedo e estatura mais baixa das plantas, do que com menores intensidades (JÄHNE et al., 2020). Essa descoberta sugere que o aumento da intensidade da luz pode ser uma opção para acelerar o processo, além do fotoperíodo, mas deve ser equilibrado com os custos adicionais de energia e sistemas de LED mais potentes, LED esses que a Master Plants oferece para diferentes segmentos do cultivo indoor com qualidade e excelência.
Protocolo Avançado para Cinco Gerações por Ano
O protocolo desenvolvido para a soja no Speed Breeding permite até cinco gerações por ano, proporcionando uma significativa aceleração em comparação com métodos tradicionais de campo ou casa de vegetação. Considerações adicionais, como o aumento do nível de CO², são discutidas, ponderando os benefícios em relação aos custos operacionais. (JÄHNE et al., 2020). Nas figuras abaixo podemos observar o resultado de diferentes tratamentos aplicados com a finalidade de acelerar o melhoramento genético da soja.
Integração de Ferramentas Modernas e Considerações Adicionais
Além da eficiência no que se refere ao tempo para obtenção de uma geração, o protocolo do Speed Breeding permite a fácil incorporação de ferramentas modernas, como seleção assistida por marcadores e genômica. O sistema também oferece oportunidades para análises específicas, como a interação de comprimentos de onda específicos e respostas fisiológicas da planta, graças à especificidade dos LEDs. Contudo, é importante ressaltar que a eficiência do sistema é diretamente relacionada ao ambiente controlado, à logística operacional e aos custos associados, exigindo uma abordagem equilibrada para garantir sucesso e sustentabilidade.
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Ray DK, Mueller ND, West PC, Foley JA (2013) Yield Trends Are Insufficient to Double Global Crop Production by 2050. PLoS ONE 8(6): e66428.
doi:10.1371/journal.pone.0066428
Jähne, F., Hahn, V., Würschum, T. et al. Speed breeding short-day crops by LED-controlled light schemes. Theor Appl Genet 133, 2335–2342 (2020).https://doi.org/10.1007/s00122-020-03601-4
