A reprodução selecionada de milhos nos últimos cem anos criou híbridos com características desejáveis, e o aumento na produção contribuiu indiretamente para a evolução do sistema radicial desta planta, que agora são mais eficientes na aquisição de nutrientes, como por exemplo o nitrogênio, vindos do solo, dizem pesquisadores.
Os resultados encontrados sugerem que futuros esforços no melhoramento que diretamente seleciona em função de características positivas na raiz levam para um ganho necessário de produtividade, a fim de ajudar a alimentar uma crescente população mundial, e ao mesmo tempo reduzindo a poluição por excessos de nitrogênio e, como consequência, reduzindo os custos de fertilizações aos agricultores.
Quase metade do ganho da produção em milhos híbridos comerciais nos últimos cem anos vieram de uma melhora genética na planta, comenta Larry York, que acaba de formar-se Ph.D. graduado em ecologia, e agora um pesquisador na University of Nottingham, U.K. A outra metade do aumento na produtividade, vem amplamente de práticas agronômicas, como, por exemplo, uso de fertilizantes e alta densidade de plantas.
“Uma grande quantidade de pesquisadores focaram na de plantas de milho em sí, como a direção das folhas e como elas capturam a luz do sol, ou como as plantas dividem a matéria em espigas ou cerne.” comenta York. “Todos nos sabemos que as raízes são responsáveis pela absorção de água e nutrientes. Entretanto, o conhecimento sobre como as raízes fazem isto é relativamente pequeno.” completa York.
“Se entendermos como as raízes evoluíram e que características específicas melhoraram a eficiência da planta, então poderemos passar ao próximo passo no melhoramento, que poderia ajudar-nos a diminuir a poluição ambiental, reduzir o custo de produção dos agricultores e aumentar a produtividade.”
Descobrir novos caminhos para melhorar a absorção de nutrientes na planta tem uma implicação global, de acordo com o co-autor Jonathan Lynch, professor de nutrição de plantas, na Penn State’s College of Agricultural Sciences.
“O milho é a maior cultura nos Estados Unidos da América (EUA) e em todo o mundo.” disse Lynch. “. Pela mesma razão, o nitrogênio simboliza o maior custo ambiental, econômico e energético da produção de milho. Variedades com sistemas radiciais melhorados podem, além de aumentar a produção e reduzir a fome em regiões empobrecidas no mundo com solos pouco nutridos, mas podem também diminuir o excesso de nitrogênio onde a qualidade da água é um problema…”
Os pesquisadores tinham como hipótese que durante um século de melhoramento de milho visando aumento de produtividade, o sistema radicial foi indiretamente selecionado nas suas formas arquitetônicas e anatômicas para serem mais eficientes na aquisição de nitrogênio. Para testar isto, eles tiveram a colaboração da DuPont Pioneer, que forneceu 16 variedades de sua coleção, representando o crescimento do milho comercial nos EUA desde o início dos anos 1900 até o presente.
“Durante este período de tempo, práticas agronômicas mudaram de forma incomensurável, desde a utilização de cavalos até a plantação de milhos em uma baixa densidade de população com quase nenhuma adição de fertilizantes, à utilização de tratores para semear altas densidades populacionais com grande quantidade de fertilizantes utilizado.” comenta York. “A densidade de semeadura aumentou 4 vezes durante este período de tempo, e a fertilização nitrogenada triplicou desde a Segunda Guerra Mundial.” complementa.
Os pesquisadores cultivaram todas as 16 variedades em dois níveis de nitrogênio (alto e baixo), em três diferentes densidades, representando os modelos históricos e modernos. Conduziram o experimento na Penn State’s Russel E. Larson Agricultural Research Center na Rock Springs.
Os pesquisadores mensuraram a massa dos brotos e a produção utilizando uma técnica conhecida como “shovelomics” para descobrir a porção do topo das raízes, então puderam mensurar a quantidade, ângulo, diâmetro, graus de ramificações laterais e comprimento das raízes. Usando uma técnica conhecida como “tomografia por laser”, a co-autora Tania Galindo, candidata a doutora em horticultura, mensurou as características anatômicas da raiz, como o tamanho e número de células, tamanho e número de vasos de xilema que transportam água e nutrientes, e a porcentagem de raízes com aerênquima, que tem espaços porosos que permitem a troca de ar entre raiz e parte aérea.
“A tomografia por laser combinou o poder do laser para seccionar, com imagens simultâneas providas por um sistema de aquisição que visou capturar a organização interna dos tecídos, ou anatomia, dos segmentos de raiz inteiras.” Galindo comenta. “As aplicações do nosso laboratório nesta tecnologia na biologia das raízes nos permite estudar as características anatômicas das raízes em milhares de amostras de milho com uma alta eficiência.”
Os pesquisadores descobriram que as novas variedades comerciais tiveram performance melhor em todos os ambientes agronômicos. Estas variedades também tiveram as características das raízes conhecidas previamente, em uma pesquisa para fazer as plantas mais eficientes em absorção de nitrogênio do solo, incluindo menos nódulos radiciais, ramificações laterais mais longas e córtex celular maior. Eles publicaram seus resultados de forma online, na revista Journal of Experimental Botany.
“O fato de que os materiais mais recentes apresentam melhor desempenho em ambientes com baixos teores de nitrogênio é um resultado novo, deve-se ao fato de que os pesquisadores tendem a focar em sistemas cultivo de alta entrada.” diz York. “Apesar de que novas variedades foram desenvolvidas para uso em altas condições de disposição de nitrogênio, hoje em dia grandes densidades populacionais significam que as plantas tem maior competição de nutrientes.”
York diz que os resultados sugerem que o sistema radicial do milho desenvolveu-se para ser mais eficiente em nitrogênio ao passar do século. Ele notou que a pesquisa não buscou diretamente a absorção de água na planta, mas os resultados podem indicar uma melhora na eficiência do uso da água também. “O uso da água torna-se cada vez mais importante, pois a mudança no clima está causando uma grante variabilidade espacial nas chuvas.”
Os pesquisadores disseram que mais pesquisas são necessárias em como especificamente as propriedades das raízes afetaram a absorção de nitrogênio, e em como estas propriedades influenciam a aquisição de outros nutrientes, como o fósforo. “Em adição, precisamos saber como o mais favorável fenótipo radicial responderá em diferentes ambientes – Precisamos das mesmas raízes na Pennsylvania como na Africa?” Diz York.
“Criar culturas mais eficientes em nitrogênio e em uso da água é o maior objetivo em um mundo que terá alcançado 10 bilhões de pessoas em 50 anos, requerendo um aumento de 50% na produção de alimentos sem utilizar maior área de plantio.” ele disse. “Nós acreditamos que as raízes vão ser primordiais para enfrentar este desafio.”
Referências:
- L. M. York, T. Galindo-Castaneda, J. R. Schussler, J. P. Lynch. Evolution of US maize (Zea mays L.) root architectural and anatomical phenes over the past 100 years corresponds to increased tolerance of nitrogen stress. Journal of Experimental Botany, 2015; DOI: 10.1093/jxb/erv074;
- Maize roots have evolved to be more nitrogen efficient;
- Study finds that maize roots have evolved to be more nitrogen efficient.
