Mudança climática eleva produção de soja, mas piora qualidade do grão

Estudo publicado pela Food Research International analisou o efeito triplo de impactos na qualidade do grão de soja esperados com as mudanças climáticas – aumento de dióxido de carbono (CO2), alta temperatura e seca. O trabalho usou modelagem preditiva feita por inteligência artificial (IA), com base em dados verificados experimentalmente, para avaliar como essa pressão influenciaria os grãos, concluindo que a semente mudaria sua composição, produzindo 50% mais, porém, com menor qualidade nutricional.

O trabalho é liderado por cientistas do Laboratório de Fisiologia Ecológica de Plantas (Lafieco) do Departamento de Botânica do Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo (IB-USP). Eles chamam a atenção para a redução na quantidade de amido (20%) e proteína (6%) do grão exposto ao efeito triplo. E, ainda, para um grande aumento no teor de aminoácidos (175%). “Esse incremento de aminoácidos não era esperado; não sabemos nem mesmo o efeito disso para os animais. Precisamos entender os efeitos do triplo impacto sobre o metabolismo de proteínas, que são muito importantes para a soja, usada para alimentação animal. O que vimos é que essa proteína diminui nos cenários drásticos de mudanças climáticas. Além disso, o grão perde amido, o que significa menos energia”, resume Marcos Buckeridge, coordenador do Lafieco.

O pesquisador afirma que os dados obtidos podem ajudar a calibrar modelos preditivos para agricultura no mundo em um contexto de impacto das mudanças climáticas, incluindo os do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC). Formado por pesquisadores das áreas de bioinformática, fisiologia e bioquímica de plantas, química, estatística e modelagem matemática, o grupo responsável pelo trabalho é pioneiro no estudo da combinação desses estresses para lavouras de soja. Mas este é o primeiro trabalho em que estima o impacto dos três fatores juntos, indicando o que pode acontecer com o grão.

Buckeridge ressalta que o efeito de fertilização das plantas derivado do aumento de dióxido de carbono no ambiente já é bem descrito na literatura. “Ele faz a planta acelerar o crescimento, possibilitando a produção de mais sementes. E quando tem seca junto? Descobrimos que o CO2 protege a planta contra o efeito da seca. Uma seca razoável já faz com que a planta produza poucas sementes. Mas, com alto teor de gás carbônico, os estômatos das folhas se fecham um pouco [estômatos são microestruturas cruciais para as trocas gasosas e transpiração, que ficam principalmente nas folhas e abrem durante o dia, em presença de luz]. Ou seja: a planta capta o dióxido de carbono que precisa para seus processos, mas perde menos água. Esse é o efeito protetor que o CO2 tem sobre a seca.”

Em caso de alta temperatura e aumento de dióxido de carbono no ambiente, este também atuaria evitando os efeitos deletérios da temperatura e ajudando a planta a crescer mais. “O CO2, geralmente, aumenta o teor de amido na folha, porque quando ele entra na planta, fazendo uma pressão positiva de carbono, nem sempre ela consegue processá-lo completamente, já que esse metabolismo é muito complexo, com inúmeras vias metabólicas diferentes. Como o fluxo fica congestionado, a planta passa a guardar carbono como reserva na forma de amido foliar.”

A pergunta era: quando os três efeitos são colocados juntos, num contexto mais próximo do que ocorreria no campo, o que acontece com o grão? Buckeridge esclarece que o grupo concentrou a atenção na semente porque esse é o grande produto da soja. “É um trabalho bem focado em agricultura. Eu esperava que os três fatores de estresse se anulassem e o crescimento da planta não se alterasse muito. Me surpreendeu o fato de ela crescer mais sob três fatores de pressão. Isso significa que a temperatura e o alto CO2 estão contribuindo para esse efeito, já que a seca, sozinha, faria a planta produzir menos.”

De acordo com ele, menor teor de amido na semente significa que a planta direcionou o carbono captado para fazer a parede celular, a celulose, hemicelulose – ou seja, usou para produzir mais fibra. “Traduzindo: o alto dióxido de carbono gera um desvio do metabolismo normal do grão. A seca gera um desvio número dois, e a temperatura, um desvio número três. Ao colocar os três juntos, obtemos um desvio número quatro. Isso significa que o processo não é linear, o que é uma das descobertas mais importantes dos últimos trabalhos que temos publicado: os caminhos dos fatores de estresse são diferentes. Temperatura e seca agem por vias distintas de estresse, metabolicamente falando. Já entendemos isso, e publicamos. Por isso é importante saber o efeito delas aliado ao do alto CO2.”

O trabalho foi apoiado pela FAPESP por meio de bolsas de Doutorado e de Estágio de Pesquisa no Exterior concedidas à primeira autora do artigo, Janaina da Silva Fortirer, além de apoio do Programa Fixação de Jovens Doutores concedido a Leandro Francisco de Oliveira, também autor do artigo.

Experimento e modelagem

Analisados individualmente, o aumento da concentração de dióxido de carbono elevou a produção de grãos em até 142%, enquanto altas temperaturas e seca reduziram o rendimento em 91% e 60%, respectivamente. O efeito triplo combinado (CO2 + alta temperatura + seca) foi avaliado por modelagem preditiva com base em dados de estresse duplo validados experimentalmente (CO2 elevado + temperatura e CO2 elevado + seca). A combinação específica de três fatores não foi validada experimentalmente.

“Fazer o experimento com todos os tratamentos e todos os controles ao mesmo tempo seria algo muito grande; teríamos de pensar nos grupos controle para as mesclas de alto dióxido de carbono com temperatura e seca, alto CO2 com temperatura sem seca, alto CO2 só com seca, sem a temperatura, e não tenho espaço no sistema. Tenho câmaras que aumentam a temperatura, e posso produzir a seca artificialmente, retirando a água das plantas. São experimentos já testados e com excelentes resultados, que permitem entender como os diferentes estresses funcionam separadamente e em dupla nas plantas”, explica Buckeridge.

Ele se refere a câmaras de topo aberto: tubos que têm a parte de cima aberta, onde se consegue injetar gás carbônico. As câmaras têm entre 1,60 m e 1,70 m de altura. “Quando elas foram construídas, foram feitos todos os cálculos com engenheiros da Escola Politécnica da USP para saber quanto tempo esse CO2 leva para entrar e sair da câmara. Nesse experimento, injetamos gás carbônico de tal maneira que a concentração lá dentro permanece o dobro da concentração de dióxido de carbono que há no ambiente [uma média de 400 partes por milhão]. Injetamos, portanto, para que sobrassem 800 ppm.”

As câmaras leem a temperatura ambiente e conseguem aumentá-la em até 5 °C. “Colocamos a planta no estresse máximo, no limite: com 5 °C a mais de temperatura e o dobro de CO2, forçando-a a responder.” Por fim, para simular a seca, o grupo suspendeu a rega das plantas. Segundo Buckeridge, foi utilizado um cultivar da Embrapa – MG/BR–46 (Conquista) – “estudado à exaustão, porque é necessário simular uma seca parecida com a realidade do campo”.

As plantas foram expostas a condições de estresse isoladas e combinadas: dióxido de carbono e temperatura ambiente (400 ppm de CO2 + temperatura ambiente); CO2 elevado (800 ppm de dióxido de carbono + temperatura ambiente); temperatura elevada (400 ppm de dióxido de carbono + 5 °C); CO2 e temperatura elevados (800 ppm de CO2 + 5 °C); seca (400 ppm de dióxido de carbono + redução na irrigação); e dióxido de carbono elevado mais seca (800 ppm de CO2 + redução na irrigação). A biomassa total, medida 60 dias após o experimento, foi utilizada para predizer a produção de grãos aos 125 dias.

Para fazer a projeção do triplo impacto, os cientistas usaram ferramentas de inteligência artificial alimentadas pelos resultados dos experimentos. Modelos lineares generalizados (GLMs) foram aplicados para estimar os efeitos isolados e interativos dos fatores e, com apoio do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, foram usadas abordagens de machine learning (XGBoost e CatBoost) para predizer o efeito triplo. “A modelagem por IA foi capaz de prever os resultados de dois fatores de estresse para o grão, verificados em experimento. Isso nos faz crer que podemos confiar também nos resultados obtidos na modelagem para o triplo impacto.”

Mecanismos

O próximo passo do grupo, de acordo com o coordenador do Lafieco, é identificar os genes responsáveis pelas respostas aos diferentes fatores de estresse e como o metabolismo das plantas está sendo afetado. “Sabendo isso, conseguiremos redesenhar a planta para que produza a mesma quantidade de proteína e não perca tanto amido, por exemplo. Enfim, será possível preparar a semente para uma melhor adaptação a mudanças climáticas.”

Outro objetivo dos cientistas é entender o efeito desses novos parâmetros nas modelagens para predição de impactos das mudanças climáticas em lavouras. “É provável que outras espécies se comportem de maneira parecida. Já fizemos o experimento com efeito duplo na cana; agora faltam a temperatura e a simulação usando a IA”, adianta Buckeridge.

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