CAPÍTULO 1

PHYSIOLOGICAL RESPONSES INDUCED BY ENDOPLASMIC RETICULUM STRESS IN PLANTS EXPOSED TUNICAMYCIN AND DITHIOTHREITOL

RESPOSTAS FISIOLÓGICAS INDUZIDAS PELO ESTRESSE DO RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO EM PLANTAS EXPOSTAS À TUNICAMICINA E DITIOTREITOL

DOI: https://doi.org/10.56001/22.9786500495669.01

Submetido em: 21/07/2022

Revisado em: 12/08/2022

Publicado em: 23/08/2022

Francisco Lucas Pacheco Cavalcante

Universidade Federal do Ceará, Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular

Fortaleza-CE

http://lattes.cnpq.br/2451083922584036

Karollyny Roger Pereira Lima

Universidade Federal do Ceará, Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular

Fortaleza-CE

http://lattes.cnpq.br/9941973574791470

Igor Rafael Sousa Costa

Universidade Federal do Ceará, Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular

Fortaleza-CE

http://lattes.cnpq.br/8318254403467249

Francisco Dalton Barreto de Oliveira

Universidade Federal do Ceará, Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular

Fortaleza-CE

http://lattes.cnpq.br/9202185779475453

Sávio Justino da Silva

Universidade Federal do Ceará, Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular

Fortaleza-CE

http://lattes.cnpq.br/5167039290853323

Isabelle Mary Costa Pereira

Universidade Federal do Ceará, Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular

Fortaleza-CE

http://lattes.cnpq.br/4165227605454388

Enéas Gomes Filho

Universidade Federal do Ceará, Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular

Fortaleza-CE

http://lattes.cnpq.br/3716378739140249

Humberto Henrique de Carvalho

Universidade Federal do Ceará, Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular

Fortaleza-CE

http://lattes.cnpq.br/4403320449355006

Abstract

Endoplasmic reticulum (ER) stress is characterized by an accumulation of unfolded proteins induced by several adverse conditions, such as drought, salinity, and pathogens. Both tunicamycin (TM) and dithiothreitol (DTT) are applied to study the ER stress in plants. Although there is not a consensus of the concentration and chemicals used as well as physiological markers, it triggers the unfolded protein response (UPR) composed by sensors into the ER membrane, which start a signaling process to restore homeostasis or induce cell death. In this way, this review includes the advances in the knowledge of ER response induced by TM and DTT treatments, especially their downstream physiological effects. From low TM (≤ 0.5 µg ml^-1) and DTT (0.5 to 1.0 mM) concentrations, the chlorophyll loss is linked to reactive oxygen species (ROS), and SA and JA signaling that result in growth impairment associated with UPR genes unbalance. Above 0.5 μg.ml^-1 of TM or 1.0 mM DTT, a ROS cytoprotective role is crucial to stress acclimation or cell death. From 1.0 to 10 μg.ml^-1 TM or 2.0 to 10 mM DTT, necrotic lesions are linked to electrolyte leakage, and fatty acid oxidation, which was more aggravated/intense at high concentration (50 and 200 μg.ml^-1). Overall, this work associates crescent concentrations of two ER stressors and its downstream physiological responses, which helps to elucidate possible mechanisms to adjust to environmental stresses starting the mechanisms of adaptation to survival or death.

Keywords: homeostasis, molecular chaperones, plant ER-stress, plant unfolding protein response.

Resumo

O estresse do retículo endoplasmático (RE) é caracterizado pelo acúmulo de proteínas mal dobradas induzidas por fatores abióticos e bióticos. Tanto a tunicamicina (TM) quanto o ditiotreitol (DTT) são aplicados para estudar o estresse do RE em plantas. Embora não haja um consenso sobre a concentração e as substâncias químicas utilizadas, bem como os marcadores fisiológicos, ela desencadeia a Unfolded Protein Response (UPR) que inicia um processo de sinalização para restaurar a homeostase ou induzir a morte celular. Esta revisão inclui os avanços no conhecimento da resposta do RE induzida pelos tratamentos de TM e DTT, especialmente seus efeitos fisiológicos a jusante. Em baixas concentrações de TM (≤ 0,5 µg ml^-1) e DTT (0,5 a 1,0 mM), a perda de clorofila está ligada a espécies reativas de oxigênio (ROS) e sinalização de AS e AJ que resultam em déficit de crescimento associado ao desequilíbrio dos genes UPR. Acima de 0,5 μg.ml^-1 de TM ou 1,0 mM de DTT, um papel citoprotetor de ROS é crucial para a aclimatação ao estresse ou morte celular. De 1,0 a 10 μg.ml^-1 TM ou 2,0 a 10 mM DTT, as lesões necróticas estão ligadas ao extravasamento de eletrólitos e peroxidação lipídica, sendo mais intensa em alta concentração (50 e 200 μg.ml^-1). No geral, este trabalho associa concentrações crescentes de dois estressores do RE e suas respostas fisiológicas a jusante, o que ajuda a elucidar possíveis mecanismos de ajuste aos estresses ambientais iniciando os mecanismos de adaptação à sobrevivência ou morte.

Palavras-chave: homeostase, chaperonas moleculares, estresse do ER em plantas, Unfolded Protein Response de plantas.

Introduction

The endoplasmic reticulum (ER) is composed of a dynamic phospholipid bilayer membrane through a cytoplasm journey. It connects two morphologically distinct domains, the nuclear envelope and peripheral ER, to the plasma membrane, which amplifies the endomembrane system (VOELTZ; PRINZ, 2007; WESTRATE et al., 2015). Inside the plant cell, ER resembles a highly polygonal three-dimensional network, organized by interconnected sheets and tubules that regulate alterations in its dynamics (PAIN; KRIECHBAUMER, 2020). ER is well-known as the most extensive cellular organelle that forms the first compartment in the secretory pathway, and its biological significance has been updated over the last decades, from the advances of electron microscopy to multi-dimension fluorescence microscopy images and quantitative measurements of dynamics by computational software (PAIN; KRIECHBAUMER, 2020; SCHULDINER; SCHWAPPACH, 2013; WESTRATE et al., 2015).

The ER has been showing to play multiple roles in eukaryotic cells growth and differentiation, including calcium storage regulation, synthesis of steroid and lipid, control of folding, processing, assembly, and transport of nascent peptides to their target locations (BANERJEE et al., 2007; KWIATEK; HAN; CARMAN, 2020; SCHÄFFER et al., 2020). Remarkably, it mediates organellar architecture, retrograde and anterograde communication by the assembling and trafficking of molecules through the Golgi apparatus, lytic vacuole, and plasma membrane (RAOTE; MALHOTRA, 2021; STEFANO; HAWES; BRANDIZZI, 2014). If the effects caused by the stresses are not solved, plants will have reduced growth and development (BURKE et al., 2020; TUTEJA et al., 2011). ER also works in stress responses integrating those signals generated by both extracellular biotic and abiotic stimuli in plants. It requires a complex crosstalk among secondary metabolites, reactive oxygen species, soluble sugars, and phytohormones, including auxin, ethylene, abscisic acid, jasmonic, and salicylic acid (DEPAEPE et al., 2021; PARK; PARK, 2019; ZHANG et al., 2017).

Moreover, several external factors can disturb the ER homeostasis favoring the accumulation of misfolded or unfolded proteins, a natural state known as ER stress (PARK; PARK, 2019). Then, it triggers a cytoprotective pathway called unfolded protein response (UPR) composed of sensors into the ER membrane, which starts an intracellular signaling process to restore homeostasis (VERCHOT; PAJEROWSKA-MUKHTAR, 2021; ZHANG et al., 2017). UPR helps to repair the protein folding capacity. It acts enhancing the levels of a large number of molecular chaperones and reducing the protein load by intensifying ER-associated protein degradation (ERAD) by a ubiquitination complex in a proteasome‐dependent manner to keep the ER quality control (ZANG et al., 2020). Conversely, if the stresses are prolonged or severe, the accumulation and aggregation of unfolded proteins might lead to oxidative stress, autophagy, and programmed death of the plant cell in a dependent UPR mechanism (HU et al., 2020; WILLIAMS; VERCHOT; DICKMAN, 2014), although the other physiological responses of ER stress and UPR leading to survival or death are barely described and remain to be explored.

Under experimental conditions, some chemical agents have been applied to the growth media or sprayed in shoots and leaves in different dosages to study the molecular effects of ER stress (ANGELOS; BRANDIZZI, 2018). These agents interfere with post-translational protein modifications and promote the disturbance of ER homeostasis, resulting in the activation of the UPR pathway and physiological responses in Arabidopsis (NAWKAR et al., 2018; RUBERTI; LAI; BRANDIZZI, 2018) and other species such as corn, tobacco, tomato, and soybean (REIS et al., 2011; SRIVASTAVA et al., 2018). For instance, dithiothreitol (DTT) blocks the formation of disulfide bonds, tunicamycin (TM) inhibits the N-glycosylation, and azetidine-2-carboxylic acid (AZC) interferes in the formation of native protein structure. Conversely, tauroursodeoxycholic acid (TUDCA) prevents protein aggregation promoting the inactivation of UPR (YU et al., 2019).

Thus, the broad extension and gene diversity related to ER stresses are mostly revealed by the transcriptome profiling of plants under abiotic, biotic, and TM and DTT chemical agents. Although plant cells integrate their responses to ER functioning as adaptative and survival mechanisms, there is not a consensus of the concentration and chemicals used as well as physiological markers to evaluate. Further, it is common to evaluate the use of chemical agents in plants but not common to describe it. In this way, this current review includes the recent advances concerning the knowledge of ER response induced by crescent concentrations of TM and DTT treatments, and especially metabolic and physiologic responses and their molecular mechanisms involving in the increasing of the ER stress in plants. We believe that the gathered data may help raise new insights into the plant UPR adjustments between survival and death in front of ER stress.

Endoplasmic reticulum stress response in Arabidopsis.

UPR is well established multiple signaling process in mammalian cells. The universal response is a highly conserved mechanism in eukaryotes, which protects against the harmful cytotoxic effects of misfolded and unfolded proteins accumulation in ER. First, the cell initiates an adaptative state to survive, then a cell death process starts, although this transition is not thoroughly explored (SRIVASTAVA et al., 2018). The key components of UPR are composed of three conserved sensors embedded within the ER membrane: IRE1 (inositol requiring enzyme 1), ATF6 (activating transcription factor 6), and PERK (protein kinase RNA-like endoplasmic reticulum kinase), which regulate hundreds of genes expression (FUN; THIBAULT, 2020).

Even though in a conserved UPR, there are some variations across species. In plants, there is not analogous PERK activity reported but similar branches have been described in Arabidopsis: the first one is similar to ATF6, and it involves the proteolytic cleavage and release of the transcription factors bZIP17/28 (basic leucine zipper 17/28) located in the ER membrane. Likely IRE1 pathway of yeast and mammals, the second arm works via IRE1 sensors, which catalyze the alternative splicing of the transcription factor bZIP60 to positively regulate UPR related genes, especially ER-resident chaperones to increase protein folding, and promotes selective degradation of cytosolic mRNAs in a regulated IRE1-dependent decay (RIDD) to reduce the translation of new proteins (ANGELOS; BRANDIZZI, 2018; HOWELL, 2013; WANG et al., 2019). Additionally, biotic stresses induce the GCN2 kinase (General Control Non-repressible 2) pathway. It promotes the phosphorylation of the orthologue eukaryotic translation initiation factor 2a (elF2a) that acts in ABA response and activation of ER genes, similarly to yeast and mammalian models indicating a functional arm of the UPR pathway (LI et al., 2018; LIU et al., 2015; VERCHOT; PAJEROWSKA-MUKHTAR, 2021).  Moreover, there are diverse influences of UPR in Arabidopsis during vegetative and root development, maturing, germinating pollen, fertility, and thermotolerance (BAO; BASSHAM; HOWELL, 2019; FRAGKOSTEFANAKIS et al., 2016; KIM; YAMAGUCHI-SHINOZAKI; SHINOZAKI, 2018; WIESE et al., 2021).

Under unstressed conditions, transmembrane IRE1 and bZIP28 are linked to the luminal binding protein (BiP) by their N-terminal domains into ER to remain in their inactive forms, while the interacting proteins that retain bZIP17 inactive in the membrane are unknown (PASTOR-CANTIZANO et al., 2020). Once the accumulation of misfolded proteins in the ER lumen occurs due to stresses, the interaction between transmembrane each sensor bZIP28 and BiP is broken. Then, the UPR pathway is activated, the bZIP28 is transported by coat protein complex II (COPII) from ER to the Golgi apparatus (MARTI et al., 2010), and subsequently cleaved by regulated intramembrane proteolysis (RIP), which acts mediated by proteases not yet identified in the C-terminal region inside Golgi, and the site-2-protease (S2P) at its cytosolic end (IWATA et al., 2017; SUN et al., 2013). Although three isoforms, IRE1a, IRE1b, and IRE1c, have been described in Arabidopsis, after the release of BiP, only IRE1a and IRE1b proteins can form oligomers that autophosphorylate each other and catalyze the unconventional cutting of the bZIP60 mRNA in the cytosol (NAWKAR et al., 2018; OZGUR et al., 2015; PU et al., 2019). Both bZIP28 and spliced bZIP60 mRNA’s translate into a functional transcription factor that is transferred to the nucleus (ALCÂNTARA et al., 2020; BEAUGELIN et al., 2020; HAYASHI et al., 2012). These transcription factors bind to specific ER stress elements I (ERSE-I) and unfolded protein response element I (UPRE-I) in the promoter regions of several genes to induce the positive regulation of responsive genes (HOWELL, 2013; LIU; HOWELL, 2010). For instance, those ER-responsive genes are specially chaperones, such as BiPs, calnexin, calreticulin, disulfide protein isomerase (PDI), and other Arabidopsis genes that have cis-regulatory elements which bind bZIP28 and bZIP60 with the assistance of nuclear factors Y (NF-Y) subunits to assemble and initiate the transcription complex (LIU; HOWELL, 2010; SUN et al., 2013). Overall, it will work as a support for the correct folding of these proteins in order to restore temporary and chronic ER stress (BEAUGELIN et al., 2020). ERdj3B is another UPR biomarker gene influenced by bZIP28 and bZIP60 (just like BiP) that can act as a chaperone for the protein folding processor.  Moreover, the diversification of downstream pathways overlapped by UPR signaling amplifies the spectrum of other physiological responses that plants can use it as a strategy to survive (RUBERTI; LAI; BRANDIZZI, 2018). Indeed, a functional UPR is required to support a regular vegetative development including bZIP17 (BAO; BASSHAM; HOWELL, 2019; DENG; SRIVASTAVA; HOWELL, 2013). Although the downstream mechanism of bZIP17 was not detailed, it was cleaved similarly bZIP28 by the S1P under salt stress, inducing salt-stressed responsive genes (LIU et al., 2007), as well as it was related to root elongation (KIM; YAMAGUCHI-SHINOZAKI; SHINOZAKI, 2018).

Thus, the UPR can be considered as a bifunctional route, since in situations of temporary stress, it is able to regulate these adaptive responses, as described before, to restore ER homeostasis. However, in conditions of chronic or severe stress, the UPR is not capable of dealing with the unfavorable situations. Due to the loss of IRE1 function or the simultaneous exclusion of bZIP28 and bZIP60 transcription factors, programmed cell death (PCD) is induced (BEAUGELIN et al., 2020; RUBERTI; LAI; BRANDIZZI, 2018). Indeed, bZIP28 and bZIP60 generate pro-survival signals, but pro-death signals are also generated. For instance, the membrane transcription factor ANAC089 is control by these sensors and activated by severe ER stress inducing programmed cell death (YANG et al., 2014). In plants, to understand the performance of UPR promoting survival or cell death under either temporary or chronic ER stress both TM and DTT are employed, even though go beyond transcriptional modulation is a challenge. Arabidopsis thaliana was widely the most used study model, but a few reports involving other species as Zea mays and Glycine max have also cleared up exciting aspects and it brings up new insights into crop breeding by improving ER folding capacity.

Physiological responses induced by tunicamycin in plants

Tunicamycin (TM) is a well-known antibiotic synthesized from Streptomyces lysosuperificus (SCHÖNTHAL, 2012). It has been widely used in several biotic and abiotic studies, including animals and plants, to trigger ER stress by inhibiting N-acetylglucosamine phosphotransferases, thus avoiding the N-glycosylation of the newly synthesized proteins in the ER lumen (HIRATA et al., 2019; REN et al., 2018; RUBERTI; BRANDIZZI, 2018). In this section, we gather some of the main downstream physiological effects described in previous reports using different concentrations of tunicamycin as an ER stress inducer in plants (Table 1).

Table 1: Main physiological responses induced by crescent concentrations of Tunicamycin as an endoplasmic reticulum stressor in plants.

Font: Authors, 2022.

Low TM concentrations in the growth medium (0.02, 0.04, and 0.06 μg.ml^-1), already induce ER stress in plant tissues by promoting the movement of bZIP28 to Golgi and its proteolysis. It displayed some physiological responses such as a progressive reduction of germination rate, aerial parts, root growth accompanied by an increase of concentration or after ten days of treatment, or became worse in the bzip28bzip60 loss of function (SUN et al., 2013). Certainly, seedling size decreasing occurred after ten or twelve days of growth in the MS medium (HIRATA et al., 2019). After 12 days, these TM concentrations decreased the emergence rate of leaves and total chlorophyll content. However, Knock-down NAC089 RNAi plants promoted ER stress tolerance reversing these phenotypes (YANG et al., 2014). Even mediums supplemented with lower concentrations of TM (0.01, 0.02, and 0.03 μg.ml^-1) or more exposure (14 days) promoted a decrease in seedlings’ weight that became more intensified by light treatment. It suggests significant crosstalk between ER and light signal, mediated by ELONGATED HYPOCOTYL 5 (HY5) proteins, which negatively regulates UPR genes, impairing protein folding capacity. Thus, the low light intensity may regulate the abundance of HY5 and alleviate ER stress keeping seedling growth (NAWKAR et al., 2017). Then, slight increases of TM (0.05, 0.1, and 0.25 μg.ml^-1) in the medium promoted significant reductions of chlorophyll content and increases in electrolyte leakage. However, H₂O₂ increases linked the reactive oxygen species (ROS) signaling during UPR as a dual mechanism to survive or leading to cell death under short- and long-term ER stress, respectively (ANGELOS; BRANDIZZI, 2018). Further, 0.5 μg.ml^-1 of TM applied in growth medium for eight hours highlighted these physiological responses previously described, including shoot degreening, shoot fresh weight decreasing, and root growth inhibition. Interestingly, the common adaptive ER stress pathways into the regulation of target genes BiP3 and ERdj3B expression were induced by bZIP28, and bZIP60 in a tissue-specific independence associated with the upregulation of Bax Inhibitor 1 (BI-1) by IRE1/bZIP60 to promote the recovering from these conditions (RUBERTI; LAI; BRANDIZZI, 2018). Under the same TM concentration in a time course evaluation running to adaptation, ER marker genes CRT2, BiP2, CNX, PDI, BI-1, and the UPR sensors bZIP60 and sliced bZIP60 were progressively induced in Zea mays seedlings immersed in the solution. Conversely, several peroxidases genes had their expression decreased from the very first TM contact by a RIDD activity of ZmIRE1. Over time, it results in root epidermal cell death evaluated by vital dye Evans blue staining and autophagy assessed by ATG8 lipidation (SRIVASTAVA et al., 2018).

The relationship among ER and other organelles is another subject barely explored. As discussed earlier, it may start by the oxidative stress involving the ER luminal oxidoreductase 1 (ERO1) enzymes in the ROS generation, and low concentrations of ROS originated from chloroplast and mitochondria to induce UPR (ANGELOS; BRANDIZZI, 2018; OZGUR et al., 2015). It may be regulated by salicylic acid (SA) via BI-1 proteins in the ER membrane. Once the role of SA in adaptation or cell death may depend on its high or low levels (KOVÁCS et al., 2016; POÓR et al., 2019), it still needs to be explored. Indeed, ROS production induced by ER stress is also related to the activity of NADPH Oxidase, an enzyme complex that plays a role in the SA signaling and survival of plants under stress (SUMIMOTO, 2008). On this hand, seedlings transferred to medium supplemented with 1.0 μg.ml^-1 of TM induced two Arabidopsis respiratory burst oxidase homologs (RBOHD and RBOHF). It supports a fundamental cytoprotective role for ROS in the defense against proteotoxic effects of temporary or chronic stress (ANGELOS; BRANDIZZI, 2018). Another example of crosstalk involves the singlet oxygen (¹O₂) generated in the chloroplast by an excess of light energy, as a product of photosynthesis. It triggers at least two signaling pathways leading to stress acclimation or cell death at low and high concentrations, respectively (MIGNOLET-SPRUYT et al., 2016). Recently it has been shown that ¹O₂ signaling pathway involves ER-mediated UPR, since moderate UPR induction by 1.0 μg.ml^-1 of TM sprayed in the leaves promoted ¹O₂ acclimation in Arabidopsis, which exhibited phototolerance and selective induction of BiP3 gene upregulating the bZIP28-dependent branch compared with the bZIP60/IRE1 branch. By contrast, the intense UPR activation (induced by 10 μg.ml^-1) was associated with high light-induced cell death (BEAUGELIN et al., 2020). In fact, ER stress is accentuated in high light conditions mediated by HY5 proteins (NAWKAR et al., 2017) as described above.

The most pronounced physiological injuries are perceived in essays that used higher concentrations of TM, including 2.0, 2.5, 5.0, and 10 μg.ml^-1 in the hydroponic or solid medium. As TM increases, the cleavage of nuclear DNA starts, consequently the induction of necrotic lesions, cell death, and senescence processes became visible in leaves and cotyledons of Glycine max, Arabidopsis thaliana, and Lycopersicon esculentum (REIS et al., 2011; YANG et al., 2014; ZHAO et al., 2007). As well as cultured Nicotiana tabacum cells (IWATA; KOIZUMI, 2005), even ER stress–cell death signaling pathway in BY-2 tobacco cells is detected yet at 0.2 μg.ml^-1 (XU et al., 2013). Furthermore, in seedlings of Zea mays under persistent ER, UPR acts from 0.5 μg.ml^-1 in the transition from activities that confer adaptation inducing the expression of survival genes, such as ZmIRE1, BI-1 and Bcl-2 associated anthanogene7 (BAG7) to those that promote cell death by a cysteine protease (SRIVASTAVA et al., 2018). Additionally, 5.0 μg.ml^-1 of TM in the liquid medium severely interferes with the lipid unsaturation rate of endoplasmic reticulum and plastid membranes. Interestingly, the conversion of monounsaturated fatty acids to polyunsaturated fatty acids by FATTY ACID DESATURASE 2 (FAD2) -mediated lipid unsaturation, leading to the inference that this may be an important factor that is involved in the stress tolerance of ER in Arabidopsis overexpressing FAD2 (NGUYEN; NAKAMURA; KANEHARA, 2019). Indeed, the increasing electrolyte leaking from damaged cells of leaves infiltrated with TM (CHAKRABORTY et al., 2017) and fatty acid oxidation processes in leaves sprayed with 10μg.ml^-1 (BEAUGELIN et al., 2020) may be associated with the appearance of PCD in plants. It brings up new insights into lipid polyunsaturation as an alternative strategy for molecular breeding following stress tolerance. Conversely, extremely high concentrations (50 and 200 μg.ml^-1) also induced such harmful effects. It linked mitochondria by H₂O₂ overproduction and the leakage of cytochrome c to changes at the ER level, such as accumulation of BiP and modifications in the organelle architecture, in which the collective metabolic and physiological responses resulted in programmed cell death (MALERBA; CERANA; CROSTI, 2004).

Crescent concentrations of tunicamycin (1.0, 3.0, 5.0, and 10 μg.ml^-1) also assessed a relationship between ER stress and plant immunity showing that a functional UPR machinery is necessary for host defenses. For instance, IRE1 induced plant immunity against virulent, and avirulent bacterial and fungal pathogens (CHAKRABORTY et al., 2020; SAMPERNA et al., 2021). Plants infiltered with TM solution lead to the accumulation of PR1 (PATHOGENESIS-RELATED PROTEIN 1) followed by callose in leaves, which are markers for PAMP-triggered immunity (PTI) activation, independent of FLS2-mediated PTI. However, under 3.0, 5.0 and 10 μg.ml^-1 TM, plant leaves displayed a yellow color and a variation in texture at days 3 and 4 resulting in cell death (CHAKRABORTY et al., 2017). The suppressive effect of ER stress was also responsible to increase bacterial growth in Arabidopsis (5.0 μg.ml^-1). Thus, ER quality control (ERQC) is an essential component of plant immune system, thus, a chronic disturbance in this process is one of the causes for pathogens to achieve host cell infection (KOENIG; PLOEGH, 2014).  Indeed, it has been suggested that exogenous salicylic acid (SA) promotes changes in the composition of ER membrane phospholipids and induces UPR in plants, including its bZIP28 and bZIP60 and pathogens gene markers (NAGASHIMA et al., 2014) acting in signaling and oxidative stress, as discussed before (POÓR et al., 2019). Moreover, jasmonic acid (JA), which also plays a crucial role in the plant-pathogen interactions was recently involved in ER stress (5.0 μg.ml^-1) and UPR signaling in tomato plants inducing SlBiP, SlbZIP60, and SlBI1. Whereas nitric oxide failed to induce UPR. Moreover, there are evidences indicating the potential of JA to regulate H₂O₂ content, proteasomal activity, and lipid peroxidation during TM treatments (CZÉKUS et al., 2020). Although the molecular mechanism of JA and other hormones in response to ER stress still need to be detailed, it is decisive for plants a regular operation of ER functions and ERQC.

Downstream physiological responses of dithiothreitol in plants

Dithiothreitol (DTT) is an alternative chemical agent commonly used under laboratory conditions to induce ER stress supporting TM, abiotic and biotic experiments. DTT provokes ER stress by reducing protein disulfide bond formation, impairing the protein folding capacity (BRAAKMAN; HELENIUS; HELENIUS, 1992; HOWELL, 2013). Although fewer papers describe physiological responses for DTT, in this section, we bring together some of the main downstream effects noted by studies that used DTT different concentrations to induce ER stress in plants (Table 2), as we did for TM.

Table 2: Main physiological effects induced by crescent concentrations of Dithiothreitol as an endoplasmic reticulum stressor in plants.

Font: Authors, 2022.

The concentration and time of exposure of this chemical also diverge a lot among the works, as we see in TM treatments. In general, the DTT concentration utilized ranged from 0.5 to 10 mM (Table 2). Although physiological parameters need to be more detailed, the essays described ER response since DTT induced UPR sensors and upregulated ER-resident chaperones being more severe and pro-apoptotic than TM in mammalian cells (LABUNSKYY et al., 2009). Even lower concentrations of DTT triggered physiological modulation via ER stress. The plant model Arabidopsis grown under 0.5 and 1.0 mM of DTT presented severe primary root growth inhibition by this agent. Interestingly, it was more accentuated as long as light was intensified. It corroborates the UPR and light signal crosstalk described by low concentrations of TM treatment mediated by HY5 proteins, which negatively regulates UPR genes in competitive mechanism between HY5 and bZIP28 to bind BiP3 promoter (NAWKAR et al., 2017). Furthermore, genes encoding UPR components play fundamental roles in plant development under both stressed and unstressed conditions, and the different accumulation of BiP and other ER-resident chaperones depend on the level of activation of the pathway (CHE et al., 2010; KIM; YAMAGUCHI-SHINOZAKI; SHINOZAKI, 2018; NAWKAR et al., 2017). Indeed, impacts on root growth are also sensed in crescent concentrations of DTT as reported by plants exposed to 1.5 mM (DENG; SRIVASTAVA; HOWELL, 2013), 2.0 to 3.0 mM (HUMBERT et al., 2012; QUEIROZ et al., 2020; SUN et al., 2013), 4.0 mM (BABITHA et al., 2015) and 7.5 mM (YU et al., 2019). Moreover, mutant approaches help to provide the link among the functional RNase and protein kinase domains of IRE1 to endoplasmic reticulum stress tolerance, vegetative growth, and development of Arabidopsis, which were impaired by the loss of function in the ire1a ire1b double mutant and became lethal in the ire1a ire1b bzip28 triple mutant (DENG; SRIVASTAVA; HOWELL, 2013).

When imposing 2.0 mM DTT in Arabdopisis plants, besides the primary root growth impairment, other symptoms as shoot decrease (SUN et al., 2013), and cell death were reported increasing caspase-like activity (LIU et al., 2012; YANG et al., 2016, 2014). Sorghum bicolor exposed to 2.5 mM DTT was related to a reduction in the biomass of both shoots and roots, also fresh and dry mass, and an impact on the degradation of membrane lipids, demonstrated by the increase of thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) content, a by-product of lipid peroxidation (QUEIROZ et al., 2020). This concentration is further responsible to cause an impairment in the emergence of the first leaves pair in Arabidopsis (SUN et al., 2013). On the other hand, the induction of antioxidant system is an effect sensed under 5.0 mM evidenced by the diminishment of H₂O₂ content, in both shoots and roots (also observed in 10 mM of DTT); yet, increased K⁺/Na⁺ ions rate in roots was observed as well (QUEIROZ et al., 2020). Furthermore, thermotolerance is an effect also detected under 5.0 mM DTT treatment, occasioned by the THERMOSENSITIVE MALE STERILE 1 (TMS1), which may be functionally different from ERdj3B, but it interacts with BiP1 and BiP3, promoting such thermotolerance in a bZIP28 and bZIP60 upstream activities dependent manner (MA et al., 2015).

Under higher concentrations, such as 7.5 mM DTT in wheat (Triticum aestivum), several biochemical changes also were induced; for example, catalase and superoxide dismutase activities significantly increased related to control treatment (YU et al., 2019), which are a result of higher ROS induction. Furthermore, it promoted a huge impact, decreasing chlorophyll content (one of the main pigments in plant photosynthesis for absorption and transmission of light energy) and an increase in the leakage of electrolytes by augmenting permeability of the cytomembrane. As a response mechanism, several photosynthesis-related genes, antioxidant enzyme genes, plant hormone-related genes, and transcription factors (TFs) were positively modulated. Collectively, they play essential role in the integration of plant metabolism and upregulation of ER stress, including ER resident proteins like BiP, CNX/CRT and, PDIs. Additionally, Sorghum seedlings treated with 10 mM of DTT also showed impairments on morphophysiological traits described for lower concentrations already, although under such concentration the decrease of toxic Na⁺ ion occurred via increasing the expression of transporters SbNHX1 and SbSOS1 genes associated with an increased expression of ER related genes SbPDI and SbbZIP60, which might trigger the unfolded protein response pathway (QUEIROZ et al., 2020). Although low or high concentrations of DTT can induce ER stress, the mechanisms that trigger the survival or death are not clear. Nevertheless, they both use the UPR to generate signals that are spread from the ER to cell, much probably by ROS and uncountable downstream physiological responses.

Concluding Remarks

In this current review, we gathered previous reports regarding the use of crescent concentrations of tunicamycin and dithiothreitol, two chemical agents of ER stress in plants. We addressed some downstream effects of UPR signaling following some physiological responses employed as a marker for weak or strong ER stress and its relationship with plant development.  In general, all studies reported the upregulation of UPR and ER-resident genes under both TM and DTT associated with several injuries, similar to biotic and abiotic stresses that use ER to deal with stress (Fig. 1). From low TM concentrations (≤ 0.5 µg.ml^-1) and DTT (0.5 to 1.0 mM) the reduced chlorophyll content was linked to diminished reactive oxygen species (ROS) signaling, PTI to SA and JA activation, while the growth impairment was associated with an unbalance of UPR genes. Interestingly, there is an inverse relationship between light and UPR resulting in an alleviation of stress effects by low light or the overexpression of HY5 which may be controlled by SA. Conversely, there is a positive relationship among BI-1 and bZIP28, and bZIP60 to induce BiP3 and ERdj3B to deal with injuries. Above 0.5 μg.ml^-1 TM and 1.0 μg.ml^-1 DTT, a ROS cytoprotective role stress seems to be crucial to promote stress acclimation or cell death. From 2.0 to 10 μg.ml^-1 TM and 2.0 to 10 mM DTT, necrotic lesions, cell death, and senescence processes are linked to the increase of electrolyte leakage, and fatty acid oxidation, which were more aggravated at extremely high concentrations (50 and 200 μg.ml^-1), H₂O₂ overproduction and leakage of cytochrome c leading to mitochondria cross talking. Moreover, there is evidence indicating the potential of JA and SA to regulate H₂O₂ content, proteasomal activity, and lipid peroxidation, although the molecular mechanism of hormones in response to ER stress still needs to be detailed. Overall, this work should provide a foundation for extended research on crop plants to elucidate possible mechanisms to adjust to environmental stresses, particularly in the mechanisms that use the ER and may help raise new insights into the plant UPR adjustments between survival and death in front of ER stress.

Figure 1: Endoplasmic reticulum stress (ER) is induced by an accumulation of misfolded or unfolded proteins, particularly under abiotic stress and biotic stress. Previous papers reported that the exposition to the crescent concentration of both chemical agents tunicamycin (TM) and dithiothreitol (DTT) also induced the accumulation of those proteins in the ER resulting in harmful effects in the plant cell (Table 1 and 2). ER stress promoted by TM induces the antioxidant system activity from 0.01 μg.ml^-1, as well as ion leakage and the decrease of fresh weight and root growth. Plastids start to lose chlorophyll content, and aerial parts decrease their growth from 0.02 μg.ml^-1. From 0.5 μg.ml^-1 on, high levels of reactive oxygen species (ROS) are detected, such as H₂O₂ or O₂^.–. Fatty acid oxidation and PATHOGENESIS-RELATED PROTEIN 1 (PR1) accumulation are reported from 1 μg.ml^-1 and callose deposition from 20 μg μg.ml^-1. Then DNA cleavage, necrotic lesions, and senescence are induced from 2.5 μg.ml^-1. Under DTT, root length decrease is induced from 0.5 mM, while impairment of leaves emergence and shoot length decrease are induced from 2 mM DTT, as well as programmed cell death. Antioxidant system induction, and lipid peroxidation are reported to increase under 2.5-5.0 mM DTT. Then, decrease of chlorophyll content, ion leakage and cytochrome c leakage are induced from 7.5 mM DTT. Created in BioRender.com

Font: Authors, 2022.

Acknowledgments

We would like to thank the National Council for Scientific and Technological Development (CNPq), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), and Fundação Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico to support us with fellowships. (FUNCAP)-DEP-0164-00152.01.00/19.

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CAPÍTULO 2

ATIVIDADE ANTI-INFLAMATÓRIA E INDICAÇÃO TERAPÊUTICA DO ÓLEO DE BABAÇU (Attalea sp.) E ÓLEOS DE PALMEIRAS DO GÊNERO Syagrus sp.: UMA REVISÃO DO POTENCIAL BIOTECNOLÓGICO E CIENTÍFICO.

ANTI-INFLAMMATORY ACTIVITY AND THERAPEUTIC INDICATION OF BABASSU (Attalea speciosa) AND OILS OF PALM TREES OF THE GENUS Syagrus: A REVIEW OF THE BIOTECHNOLOGICAL AND SCIENTIFIC POTENTIAL.

DOI: https://doi.org/10.56001/22.9786500495669.02

Submetido em: 21/11/2022

Revisado em: 05/12/2022

Publicado em: 14/12/2022

Fabiana Frazão Frazão

Programa de Pós-graduação em Biotecnologia-RENORBIO, Universidade Federal do Maranhão, São Luís – MA, Brasil.

http://lattes.cnpq.br/8620019173929647

Ricardo Henrique Nascimento Frazão

Programa de Pós-graduação em Química, Universidade Federal do Maranhão, São Luís – MA, Brasil.

http://lattes.cnpq.br/5298980215553561

Olga Oliveira dos Anjos

Programa de Pós-graduação em Biotecnologia-RENORBIO, Universidade Federal do Maranhão, São Luís – MA, Brasil.

http://lattes.cnpq.br/2567300107146323

Cristina Gomes Soares da Silva

Programa de Pós-graduação em Biotecnologia-RENORBIO, Universidade Federal do Maranhão, São Luís – MA, Brasil.

http://lattes.cnpq.br/6432404093382932

Cáritas de Jesus Silva Mendonça

Programa de Pós-Graduação em Energia e Ambiente- PPGEA, Universidade Federal do Maranhão, São Luís – MA, Brasil.

http://lattes.cnpq.br/6240735051211119

Adeilton Pereira Maciel

Departamento de Química, Universidade Federal do Maranhão, São Luís – MA, Brasil.

https://orcid.org/0000-0002-1787-6039

Resumo

O objetivo deste trabalho é descrever uma revisão sistemática sobre a atividade anti-inflamatória e indicação terapêutica do óleo de babaçu e óleos extraídos de palmeiras do gênero Syagrus. A busca para a seleção dos estudos ocorreu entre os meses de julho a novembro de 2022, por meio de bases de periódicos e patentes, fazendo uso de termos como babassu oil, Syagrus, oil, e anti-inflammatory activity combinados entre si, utilizando-se os operadores booleanos AND/OR/* para agregar todos os descritores. O Brasil é o país que mais publica artigos científicos sobre estes óleos vegetais supracitados. Quanto ao tema proposto sobre atividade anti-inflamatória destes óleos, percebe-se ainda que há escassez nas pesquisas, com apenas dez artigos publicados e uma patente referente ao óleo Syagrus cocoides.  No entanto, a presente revisão mostrou que o óleo de babaçu e o óleo extraído de palmeiras do gênero Syagrus são usados pela população como ação anti-inflamatória contra vários tipos de doenças e o uso destas espécies apresenta um elevado potencial biotecnológico.

Palavras-chave: Arecaceae, ação anti-inflamatória, doenças, Orbignya phalerata, coco ariri.

Abstract

The objective of this paper is to describe a systematic review on the anti-inflammatory activity and therapeutic indication of babassu oil and oils extracted from palm trees of the genus Syagrus. The search for the selection of studies occurred between July and November 2022, through databases of journals and patents, using terms such as babassu oil, Syagrus, oil, and anti-inflammatory activity combined, using the Boolean operators AND/OR/* to aggregate all descriptors. Brazil is the country that publishes the most scientific articles about these vegetable oils. As for the proposed theme on anti-inflammatory activity of these oils, one can see that there is still a scarcity of research, with only ten published articles and one patent relating to Syagrus cocoides oil.  However, the present review showed that babassu oil and the oil extracted from palm trees of the genus Syagrus are used by the population as anti-inflammatory action against several types of diseases and the use of these species presents a high biotechnological potential.

Keywords: Arecaceae, anti-inflammatory action, diseases, Orbignya phalerata, coco ariri.

Introdução

            As espécies da família Arecaceae, plantas conhecidas como palmeiras, apresentam grande importância econômica e são exploradas comercialmente na produção de amido, óleo, palmito, cera, frutos e fibras. São também utilizadas como fonte de alimentos, bebidas e como matéria-prima para construção de barcos, pontes e casas. As plantas são utilizadas na ornamentação de praças, jardins e ambientes internos há vários séculos. No Brasil encontram-se extensamente distribuídas (SANTELLI et al., 2006).

A família Arecaceae apresenta um enorme potencial biológico, tais como poder anti-inflamatório, antioxidante, antimicrobiano, antinocéptico, anticancerígeno, e antiaterogénico, entre outros (CORIOLANO et al., 2021).

Entre 760 espécies de palmeiras encontradas nas Américas, o uso medicinal popular e tradicional de 106 espécies é conhecido, especialmente contra infecções/infestações e perturbações do sistema digestivo (COSTA, 2018; GRUCA et al., 2015; MACIA et al., 2011).

As palmeiras desempenham um papel importante na história da alimentação e da agricultura, desde os tempos antigos até ao presente. Muitas destas espécies são uma importante fonte de óleos (COSTA, 2018).

No Brasil, há importantes palmeiras que fazem parte desta família Arecaceae usadas para extração de óleo, entre eles estão os gêneros Attalea sp. e Syagrus sp. De acordo com Leitman et al. (2015), o gênero Syagrus apresenta 59 espécies descritas, das quais 51 são endêmicas do Brasil. Para este gênero não há uniformidade nos nomes das espécies, dependendo da região, sendo encontrado vários nomes comuns como Chapéu de Touro, Jerivá, coco-catolé, licurizeiro, catolé, coco ariri, piririma, entre outros.

A espécie Syagrus cocoides caracteriza-se pelo estipe solitário, pinas agrupadas, 3 a 20 ramos e frutos piriformes. A espécie possui sua distribuição somente na Guiana e Brasil para as regiões Norte (Amazonas, Pará, Tocantins), Nordeste (Maranhão, Piauí) e Centro-Oeste (Goiás, Mato Grosso) (RODRIGUES, 2018). Syagrus coccoides é comum nas savanas da Amazônia e do Planalto Central brasileiro, geralmente com alta densidade (FERREIRA, 2021).

Quanto ao gênero Attalea sp., o maior representante é conhecido popularmente por babaçu. O babaçu (Attalea speciosa) está como uma das palmeiras mais abundantes no país. Com ampla distribuição na região sul, se estendendo do oceano Atlântico até o território boliviano, com destaque para as zonas de transição entre a bacia amazônica e a região semiárida do nordeste brasileiro (Piauí e Maranhão), e, em menor expressão, no Tocantins, Goiás, Mato Grosso e no estado do Pará. Tal palmeira se constitui em uma das espécies mais importantes na subsistência de muitas localidades tradicionais, já que todas as partes da espécie são aproveitadas para os diversos fins (ARRUDA; DA SILVA; SANDER, 2012).

Os produtos oriundos do babaçu são utilizados, em geral, para o tratamento de gastrites, feridas cutâneas, inflamações. O babaçu também possui efeitos anticonceptivos, anti-inflamatórios, antioxidantes, antimicrobianos e imunomoduladores. Já o óleo extraído de babaçu é rico em ácido láurico (~50%) e tocoferóis (REIS et al., 2017). Dentre os ácidos que constituem o babaçu, o ácido láurico, um ácido graxo que se destaca para fins terapêuticos, incluindo atividades antibacteriana, anti-inflamatória e antitumoral. Microemulsões a partir do óleo de babaçu apresentam efeitos anti-inflamatórios e imunoestimuladores, e essas propriedades terapêuticas podem exercer contribuições diretas no controle da fadiga relacionada ao câncer (ARAUJO et al., 2016; NASCIMENTO et al., 2017).

Diante do exposto, o objetivo deste trabalho é descrever uma revisão sistemática sobre a atividade anti-inflamatória e indicação terapêutica do óleo de babaçu e óleos extraídos de palmeiras do gênero Syagrus.

Metodologia

No presente estudo foi realizada uma revisão sistemática da literatura para identificar pesquisas sobre a atividade anti-inflamatória do óleo de babaçu e óleos extraídos de palmeiras do gênero Syagrus sp.

A busca para a seleção dos estudos ocorreu entre os meses de julho a novembro de 2022, por meio de buscas nas bases de artigos nos portais de periódicos Web of Science e Science Direct; e busca em bases de patentes como INPI, Espacenet, WIPO.

Para esta revisão sistemática, os termos pesquisados foram escolhidos com base em palavras-chave que aparecem com frequência em artigos relacionados à área. Os termos pesquisados foram babassu oil, Syagrus, oil, e anti-inflammatory activity combinados entre si, utilizando-se os operadores booleanos AND/OR/* para agregar todos os descritores. As publicações foram organizadas com base no número encontrado por termo de busca e no somatório total de trabalhos nos bancos utilizados.

Na busca inicial, foram encontrados vários artigos sem limitar o período de tempo (n=72096) (Tabela 1) sobre atividade anti-inflamatória. Portanto, foi estabelecido como critério de exclusão os artigos que não tratavam sobre babaçu e coco do gênero Syagrus sp e, artigos duplicados em outras bases.

Entretanto, foi definido como critério de inclusão: artigos publicados entre os anos de 2000 a 2022, busca por título de artigos utilizando operador booleano (“Anti-inflammatory activity” AND “babassu oil) e (“Anti-inflammatory activity” AND “Syagrus”), com finalidade de expor os trabalhos científicos mais recentes que tratavam sobre a atividade anti-inflamatória dos óleos produzidos a partir destas palmeiras. Nessa etapa, de acordo com as variáveis de interesse, permaneceram 275 artigos potenciais para análise. Após a leitura dos textos na íntegra e aplicação dos critérios de inclusão e exclusão, obteve-se um total de 10 artigos usados na revisão e 3 patentes.

Resultados e Discussão

A prospecção tecnológica e científica foi realizada por meio de coleta, tratamento e análise das informações contidas nas publicações científicas. Os resultados das buscas por artigos científicos estão apresentados na Tabela 1.

Tabela 1. Número de artigos científicos encontrados pela busca por títulos de diferentes termos nos bancos de periódicos citados.

Fonte: Própria autoria (2022).

Analisando os resultados, é possível observar a diferença do número de artigos científicos quando se comparam com os termos em geral da atividade anti-inflamatória com os termos mais específicos para relacionar a ação anti-inflamatória dos óleos extraídos das palmeiras da família Arecaceae, abrangendo as espécies do gênero Syagrus sp. e Attalea sp. nas bases de busca.

Figura 1. Ano de publicação de artigos científicos óleos extraídos das palmeiras do gênero Syagrus sp. e Attalea sp (babaçu).

Fonte: Própria autoria (2022).

Conforme a base Science Direct, o estudo verificou que o volume de artigos publicados se mostra esporádico até 2010 para ambos os tipos de óleo. Pode-se notar que apesar da importância medicinal e econômica dos óleos de babaçu e oriundo da gênero Syagrus sp., os trabalhos científicos publicados alcançaram maior volume de publicação a partir do ano de 2020, como pode ser observado na figura 1. No entanto, percebe-se que há muito mais artigos publicados sobre óleos extraídos de espécies de babaçu do que as espécies do gênero Syagrus sp. Isto mostra um reflexo no contexto cultural, econômico e social no Estado do Maranhão e em outros estados brasileiros da importância do uso/aplicação do babaçu em várias áreas (entre elas a culinária e na medicina fitoterápica).

Segundo Pereira et al. (2013), as palmeiras (família Arecaceae) têm sido utilizadas sob vários aspectos pelo homem suprindo diversas necessidades, como fonte energética na alimentação; auxiliando na construção de casas, utensílios caseiros; como bebida, ou fazendo parte da arborização regional.

Segundo Agostini-Costa (2018), as partes mais utilizadas das palmeiras são os frutos, extraindo principalmente óleos (33%), seguidos por raízes, sementes, folhas, flores palmito, e seiva da flor. Observa-se na figura 2 que o óleo de babaçu é bastante utilizado em várias pesquisas entre os países ao ser comparado com o óleo extraído do gênero Syagrus sp.

Figura 2. Acompanhamento do número de publicações científicas entre os países sobre os óleos extraídos das palmeiras do gênero Syagrus sp. e Attalea sp (babaçu), no período de 2000 a 2022.

Fonte: Própria autoria (2022).

A figura 2 representa a análise de países com maiores números de registros de artigos publicados sobre a produção de óleo de babaçu (142 registros) e óleos extraídos de palmeiras do Syagrus sp. (96 registros). O Brasil ficou no primeiro lugar entre os países, obtendo um maior número de publicações, afirmando mais uma vez a importância e a grandiosidade de recursos naturais da flora no Brasil.

De acordo com a Figura 3, a base ESPACENET apresentou um dos maiores resultados da pesquisa (4407 patentes) referente a produção de óleo extraído de Syagrus cococides, Syagrus sp. e óleo de babaçu.

Figura 3: Número de patentes referente ao óleo babaçu e óleo extraído de palmeiras do gênero Syagrus em bases nacional e internacional.

Fonte: Própria autoria, 2022.

Contudo, os resultados da busca no INPI (Figura 4) foram considerados na citação a fim de avaliar a situação do Brasil no cenário mundial.

Figura 4: Número de documentos patentários referente ao óleo babaçu, óleo de Syagrus cocoides e óleo extraído de palmeiras do gênero Syagrus depositadas no Instituto Nacional de Propriedade Intelectual (INPI).

Fonte: Própria autoria, 2022.

Quanto ao tema proposto sobre atividade anti-inflamatória destes óleos, percebe-se ainda que há escassez nas pesquisas, tanto no aspecto tecnológico quanto científico, sendo observado na tabela 2, apenas onze artigos publicados e três patentes depositadas na base INPI.  Apesar da importância dessas palmeiras no Brasil, pouco se sabe cientificamente quanto a atividade anti-inflamatória destes óleos e seu poder biotecnológico com relação ao tratamento de diversas doenças.

Tabela 2: Atividade anti-inflamatória dos óleos a base de babaçu e palmeiras do gênero Syagrus e sua relação com o tratamento de doenças.

Fonte: Própria autoria, 2022.

Ao analisar a tabela 2, se percebe desde então o aparecimento de duas espécies de babaçu (Orbignya phalerata e Attalea speciosa). Segundo Da Mata (2016), isto acontece em razão de que a identificação taxonômica do conjunto de espécies de babaçu tem uma grande complexidade, e por longos anos não há consenso entre os diversos autores, por isso, esse conjunto de espécies é denominado “complexo babaçu”. Na literatura, há artigos que mostram que o número de espécies do gênero, porém este número varia de 29 a 67 espécies entre os autores, ou seja, não demonstrando um número em consenso.

De acordo com Cavallari e Toledo (2016), na literatura científica atual são encontrados artigos que utilizam diferentes nomes científicos para o babaçu, principalmente Orbignya phalerata e Attalea speciosa, no entanto, há também O. speciosa, O. martiana, entre outros. Estes autores afirmam que estes diversos nomes geram uma grande confusão na comunidade científica permitindo uma propagação sucessiva de erros. Portanto, atualmente é recomendado a adoção do nome científico Attalea speciosa (Martius ex. Spreng) como o mais adequado para o babaçu.

Na tabela 2, existem dois trabalhos (Reis et al., 2017 e Pereira et al., 2020) mais atuais e que reportam a importância fitoterápica do uso do óleo de babaçu.

No trabalho de Pereira et al. (2020), investigaram os efeitos da suplementação de óleo de babaçu em pacientes com câncer de mama em ensaio randomizado. Estes autores comprovaram que a suplementação com óleo de babaçu é eficaz na redução da fadiga e a inflamação em pacientes com câncer de mama. Ações imunomodulatórias também foi verificado para o óleo de babaçu, uma vez que o tratamento foi capaz de diminuir simultaneamente a produção de citocinas inflamatórias e aumentar a produção de anticorpos IgA mesmo em pacientes submetidos à terapia imunossupressora.

No entanto, segundo Reis et al. (2017), a fim de se avaliar a atividade anti-inflamatória do óleo de babaçu foi utilizado o método de Edema de Orelha Induzida – EAR (cálculo de atividade anti-inflamatória). Estes autores afirmaram que, o óleo de babaçu (3 e 10𝜇L/EAR) foi capaz de inibir o PMA- edema de orelha induzido em 19,1 (𝑝 <0,05) e 54,1% (𝑝 <0,001), respectivamente. Ácido láurico (4mg /EAR), o principal ácido graxo de óleo de babaçu, apresentou 90,3% de inibição (𝑝 <0,001), enquanto dexametasona inibiu o edema de ouvido em 79,7% (𝑝 <0,001). A atividade anti-inflamatória tópica do óleo de babaçu foi potencializado por microemulsificação, atingindo o mesmo que edema de orelha induzido como óleo de babaçu puro em um nível muito mais baixo concentração.

Em 2011, houve um interessante trabalho exposto por Souza et al. Em que os mesmos verificaram o principal uso etnobotânico de produtos e subprodutos derivados do babaçu (Orbignya phalerata) em uma das comunidades no Estado do Maranhão. Verificaram que o uso do óleo é aliado no tratamento de doenças como vulvovaginite, feridas na pele e gastrite.

A vulvovaginite, é uma das doenças ginecológicas mais frequentes causada por diferentes espécies de fungo do gênero Candida e a mais comum de vaginite aguda em países tropicais (HOLANDA et al., 2007). Silva e Parente (2001) afiançaram que o uso frequente de produtos derivados do babaçu para o tratamento de processos inflamatórios do trato genital feminino (97%) pode ser explicado pela ação anti-inflamatória do babaçu.

Há registros na literatura de pesquisas que comprovam que não somente o óleo extraído do babaçu tem ação anti-inflamatória, mas também outros constituintes do referido coco. Silva e Parente (2001) afirmaram que o uso popular da farinha de mesocarpo pode auxiliar no tratamento de gastrite.

Vale ressaltar que, mesmo diante da importância fitoterápica/tratamento de doenças, o óleo de babaçu e os óleos extraídos das palmeiras do gênero Syagrus, até o presente momento, não estão citados no Formulário de Fitoterápicos da Farmacopeia Brasileira da Agência Nacional de Vigilância Sanitária – Anvisa (BRASIL, 2018).

Quanto a Syagrus sp., também pertencente à família Arecaceae, pode-se afirmar que é um dos três gêneros mais frequentes em número de espécies de palmeiras no Brasil, e apresentando destaque na região do Cerrado (SANTELLI et al., 2006).

O gênero Syagrus, é composto por aproximadamente 59 espécies descritas, sendo a maioria endêmica do território brasileiro (51 espécies) (LEITMAN et al., 2015). Esta informação nos permite entender porque o Brasil tem posse de mais 95% das publicações sobre o óleo de Syagrus sp., conforme descreve a figura 2. No entanto, há necessidade de mais estudos de prospecção tecnológica e cientifica, pois, ao verificar a tabela 3, percebe-se a presença de apenas quatro estudos científicos e duas patente, com enfoque no poder biotecnológico, na atividade anti-inflamatória e tratamentos de doenças, sobre o uso do óleo de espécies de palmeiras de S. cocoides, S. romanzoffiana, S. coronata, S. oleracea e S. cearenses.

 Ferreira Júnior et al. (2011) em seu trabalho listou as principais plantas medicinais usadas no nordeste brasileiro para o tratamento de inflamações, dentre a lista Syagrus cearensis estava presente.

Existe a patente BR102019002950 que trata das composições farmacêuticas no tratamento de afecções dermatológicas a partir do óleo vegetal de coco ariri (Syagrus cocoides mart.). A presente invenção está inserida no campo da indústria farmacêutica, química e veterinária. As formulações a partir do óleo de coco ariri apresentam boa emoliência, com potencial antioxidante e regenerativo, sendo úteis na prevenção e tratamento de afecções dermatológicas (PIRIS et al., 2020).

No trabalho de Cercato et al. (2015), fez referência as plantas citadas por estudos etnobotânicos na região brasileira de agentes anti-obesidade. Zeni and Bosio (2011) relata o uso de Syagrus romanzoffiana (Cham.) com fins medicinais na comunidade Nova Rússia-SC, e tratamento de obesidade.

Serra et al. (2019) alegaram em seu trabalho sobre fontes alternativas de óleos e gorduras de plantas amazônicas que os ácidos graxos poliinsaturados, como ω-3 (ácido α-linolênico) e ω-6 (ácido linoléico) são essenciais para a saúde do ser humano, apresentando como benefícios ação antitrombótica, anti-inflamatório e antioxidante, bem como atuam na prevenção de doenças cardiovasculares. Portanto, esses óleos são boas fontes de compostos bioativos que podem ser responsáveis ​​por benefícios à saúde.

Segundo Oliveira et al. (2012) foi relatado o uso de 65 plantas diferentes, usadas para tratar qualquer tipo de inflamação, sendo que Syagrus romanzoffiana foi descrita sendo usadas por pacientes do SUS devido sua capacidade anti-inflamatória.

­­Considerações Finais

A presente revisão mostra que o óleo de babaçu e o óleo extraído de palmeiras do gênero Syagrus são utilizados pela população como ação anti-inflamatória contra vários tipos de doenças.

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CAPÍTULO 3

RESGATE E CARACTERIZAÇÃO MOLECULAR DE ACESSOS DE MILHO CRIOULO PROSPECTADOS NO SEMIÁRIDO MINEIRO

RESCUE AND MOLECULAR CHARACTERIZATION OF CREOULE CORN ACCESSORIES PROSPECTED IN THE SEMI-ARID MINEIRO

DOI: https://doi.org/10.56001/22.9786500495669.03

Submetido em: 23/01/2023

Revisado em: 27/01/2023

Publicado em: 31/01/2023

Ana Carolina Ataide Silveira

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/2466104732305153

Matheus Henrique Teixeira

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/2443254354962216

Demerson Arruda Sanglard

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

 http://lattes.cnpq.br/7417873079167401

Luan Souza de Paula Gomes

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/5387425290856112

Jefferson Joe Moreira Alves

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/4133593105061762

Phelipe Souza Amorim

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/3729844181884351

Flávia Échila Ribeiro Batista

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/9175849604614635

Resumo

O semiárido mineiro inclui as mesorregiões Norte e Jequitinhonha, abrangendo uma população superior a dois milhões de habitantes em 140 municípios, o que equivale a 10,46% da área brasileira em que predomina este clima. Entre as diversas dificuldades para a otimização do sistema produtivo da agricultura familiar nestas mesorregiões, destaca-se a escassez de sementes crioulas adaptadas aos agroecossistemas específicos, que são bastante distintos das áreas experimentais utilizadas pelo melhoramento genético convencional. Com o declínio de pequenos produtores, perdem-se, também, variedades locais e o conhecimento tradicional associado – um dano incalculável pela perda de reservatórios gênicos. Diante disso executou-se no interstício dos anos de 2017 a 2021, um projeto intitulado “Melhoramento Participativo de Milho com Enfoque na Agrobiodiversidade do Semiárido Mineiro”, com fomento aprovado pelo Banco do Nordeste. Foram realizadas visitas técnicas em diversas comunidades rurais nas áreas de abrangência, coletando-se relatos sobre variedades locais muitíssimo escassas. A despeito deste franco processo de erosão de genética, obteve-se, com muita procura, amostras de sementes fidedignas dessa categoria. Os depósitos ocorreram no Laboratório de Biotecnologia da Universidade Federal de Minas Gerais – UFMG (campus Montes Claros), totalizando 44 variedades resgatadas, às quais foram caracterizadas por meio de oligonucleotídeos do tipo ISSR (Inter Simple Sequences Repeats). Os diagnósticos locais comunitários, ainda que morosos e pouco céleres, permitiram recuperar preciosos genótipos de milhos crioulos, fontes de variabilidade para tolerância a estresses causados por pragas, doenças e limitações de clima, todos estes contextualizados ao semiárido.

Palavras-Chave: banco de sementes, marcadores moleculares, melhoramento participativo, variedades locais, zea mays l.

Abstract

The semi-arid region of Minas Gerais includes the North and Jequitinhonha mesoregions, covering a population of over two million inhabitants in 140 municipalities, which is equivalent to 10.46% of the Brazilian area where this climate predominates. Among the various difficulties for optimizing the productive system of family farming in these mesoregions, the scarcity of native seeds adapted to specific agroecosystems, which are quite different from the experimental areas used by conventional genetic improvement, stands out. With the decline of small producers, local varieties and associated traditional knowledge are also lost – an incalculable damage due to the loss of gene pools. In view of this, between 2017 and 2021, a project entitled “Participatory Maize Improvement with Focus on Agrobiodiversity in the Semiarid Mineiro” was carried out, with funding approved by Banco do Nordeste. Technical visits were carried out in several rural communities in the areas covered, collecting reports on extremely scarce local varieties. Despite this clear process of erosion of genetics, reliable seed samples of this category were obtained with great demand. The deposits took place at the Biotechnology Laboratory of the Federal University of Minas Gerais – UFMG (Montes Claros campus), totaling 44 rescued varieties, which were characterized by ISSR-type oligonucleotides (Inter Simple Sequences Repeats). The local community diagnoses, although time-consuming and slow, made it possible to recover precious genotypes of creole corn, sources of variability for tolerance to stress caused by pests, diseases and climate limitations, all of which are contextualized in the semi-arid region.

Keywords: seed bank, molecular markers, participatory breeding, local varieties, zea mays l.

Introdução

No Brasil, 90% dos produtores de milho são pequenos agricultores (DUTRA et al., 2021), cujas lavouras, em geral, têm baixa produtividade de grãos e silagem. As razões da baixa produtividade dos pequenos agricultores são diversas, como o alto custo dos insumos, baixo preço dos produtos agrícolas, dificuldade de acesso ao crédito rural e à tecnologia, e alta frequência de estresses bióticos e abióticos (MACHADO; MACHADO, 2007). Soma-se a estes problemas a falta de variedades adaptadas aos diferentes tipos de estresse para ambientes locais e específicos.

Para a cultura do milho, no Brasil, constata-se que as lavouras com áreas abaixo de 10 ha podem ser conduzidas pela força de trabalho familiar. Elas estão predominantemente em regiões marginais e correspondem a 30% da produção nacional, abrangendo 94,3% dos produtores (IBGE, 2010). Para essa categoria de agricultores, os avanços científicos têm tido contribuição muito aquém do desejado. Nas propriedades rurais das áreas marginais, a cultura do milho é considerada de muita importância, pois tem o potencial de viabilizar o sistema produtivo pela agregação dos valores na propriedade e pela função do milho na alimentação humana e animal (MACHADO et al.,2011).

A agrobiodiversidade relaciona os valores de uso dos cultivos em agricultura com os valores de conhecimento associados à diversidade desses cultivos Especialmente em agricultura tradicional, o uso está intimamente ligado aos sistemas de conhecimento locais, relacionando diversidade cultural, costumes e práticas. A revalidação de tais conhecimentos mostra que a biodiversidade não é somente fundamental para a produção de alimentos, mas também desempenha um importante papel no estabelecimento da sustentabilidade dos sistemas de produção agrícola. O conhecimento dos agricultores sobre as variedades locais e espécies silvestres pode ser utilizado na busca por novas características e produtos de interesse para o melhoramento de plantas e biotecnologias. Consequentemente, a conservação de recursos genéticos envolve a atual diversidade existente e o conhecimento associado. Outro ponto importante, refere-se à interação da diversidade genética com os diferentes agroecossistemas (MACHADO, 2007).

Uma das estratégias definidas com base no Plano de Ação Global para Segurança Alimentar da FAO, refere-se ao uso e à preservação da diversidade genética de plantas, dentro de comunidades agrícolas (FAO, 2012). O trabalho conjunto entre o setor formal e o setor informal (representado pelas comunidades rurais), no manejo da agrobiodiversidade, pode contribuir na conservação de germoplasmas adaptados aos agroecossistemas das comunidades agrícolas (DE BOEF; THIJSSEN, 2007). Assim, as abordagens participativas tornam-se de cruciais importâncias para o desenvolvimento de trabalhos com pequenos agricultores, evitando-se a erosão genética.

A mesorregião Norte de Minas Gerais, predominantemente semiárida, abrange uma população superior a dois milhões de habitantes, distribuídos em 140 municípios, o que equivale a 10,46% da área brasileira com este clima (EMATER, 2021). A agricultura familiar nestas localizações também está vulnerável a todas as questões supracitadas, tendo ainda, como condição agravante, o uso de sementes inapropriadas aos seus agroecossistemas específicos. Isso significa que eles não possuem equivalência ambiental às estações experimentais de empresas, onde as semeaduras são efetuadas para os procedimentos de melhoramento genético. Neste sentido, uma estratégia para gerar a independência do pequeno agricultor com relação às sementes comerciais, é fazer com que ele mesmo ou suas comunidades as produzam de forma contextualizada e holística (abrangente), adaptadas para as realidades de suas próprias localidades (CGIAR, 1999). Este projeto teve como objetivo principal a recuperação das escassas variedades locais de milho, fidedignamente reconhecidas como “crioulas”.

Metodologia

• Resgate de variedades e diagnósticos

Foram realizadas expedições em comunidades rurais de seis municípios do Norte de Minas Gerais: Almenara, Capitão Enéas, Janaúba, Montes Claros, Rio Pardo de Minas, São João do Paraíso. Adotou-se as estratégias propostas por MACHADO e MACHADO (2007), atentando-se para os seguintes critérios norteadores: (i) Entrevistas com enfoque participativo, onde serão privilegiadas dinâmicas e procedimentos que favoreçam a expressão do ponto de vista dos grupos envolvidos e que estimule uma reflexão coletiva para a priorização de demandas. (ii) Enfoque ecossistêmico, em que se tenha um olhar sobre o estado da arte da agrobiodiversidade local, e que não restrito ao cultivo das espécies objeto de estudo do programa, devendo-se englobar as diferentes dimensões dos agroecossistemas em questão. O resgate das variedades de milho ocorreu a partir de levantamentos realizados nas regiões de abrangência do projeto onde, gradativamente, obteve-se relatos sobre variedades locais e amostras de sementes.

• Caracterizações da diversidade genética

Amostras de sementes foram rejuvenescidas para posteriores semeaduras a campo no ICA/UFMG. Concomitantemente, tecidos de suas respectivas folhas foram coletados (tecidos tenros) e armazenados em ultrafreezer (-75ºC). As análises moleculares envolveram extrações de DNA (DOYLE; DOYLE, 1990) de variedades de milhos crioulos e amplificações via PCR (Polymerase Chain Reaction) com oligonucleotídeos (primers) ISSR (Inter Simple Sequences Repeats), de escolhas randomizadas, oriundos da coleção UCB (University of British Columbia, Canada) (Termociclador Biocycler Gradient). As reações foram programadas em uma fase inicial de desnaturação a 94ºC por 5 min; seguida por 35 ciclos de [desnaturação (94ºC / 1 min), anelamento (46ºC a 59ºC / 1 min) e extensão (72ºC/2 minutos)]; e uma fase de extensão final de 72ºC por 7 min. Logo após essas ciclagens, o aparelho conservou as reações a 4°C, até a retirada das amostras. Os produtos resultantes das amplificações foram separados por eletroforese horizontal com géis de agarose 1,2% (m/v), imersos em tampão TBE (Tris-Borato 90 mM, EDTA 1 mM). No momento da aplicação, foram adicionados, à cada amostra, 3 mL do corante tipo IV [0,125% (m/v) de azul-de-bromofenol e 10% (m/v) de sacarose] e 5 uL de GelRed™ (SAMBROOK et al.,1989). Os géis foram submetidos a uma carga de 120 V, por 3 h. Findadas as eletroforeses, os géis foram analisados por meio de um sistema de fotodocumentação (Loccus Biotecnologia, modelo L-PIX). Os dados serão analisados através de matrizes de dados binários, considerando-se a presença (1) e a ausência (0) de bandas aferidas nos géis supracitados. O coeficiente para o cálculo de similaridade genética foi com base no complemento aritmético do coeficiente de coincidências simples. As análises foram executadas com o auxílio do programa computacional GENES (CRUZ, 2006). Todos os procedimentos de manutenção de populações segregantes e análises moleculares foram realizados nas dependências do Laboratório de Biotecnologia, localizado no Centro de Pesquisas em Ciências Agrárias (CPCA) da UFMG. Os plantios para multiplicações de sementes e hibridações ocorreram em telados anexos ao CPCA e área a campo vinculada ao Laboratório de Biotecnologia, integrante da Fazenda Experimental Professor Hamilton de Abreu Navarro (FEHAN), Campus Montes Claros da UFMG.

Resultados e Discussão

• Resgate de variedades e diagnósticos

No desencadear da execução do trabalho, houve a necessidade de extrapolar os limites comunitários do Córrego “Buriti Seco” (Zona Rural de Montes Claros-MG) quanto às ações de resgate das variedades crioulas de milho (ação central da execução), pois a ausência de plantios nesse sentido foi limitante. Esse quadro demonstrou o avanço do processo de erosão genética envolvendo as comunidade-alvo inicial. Neste contexto, a busca por variedades de milho locais e fidedignamente crioulas, utilizadas em regimes de áreas marginais, envolveu encontros com associações rurais de outros 05 (cinco) municípios, além de Montes Claros: Almenara (‘Associação de Pequenos Produtores Rurais da Agricultura Familiar de Almenara’); Capitão Enéas (‘Associação Comunitária Rural de Poção’); Janaúba (‘Associação Comunitária Evangelho Unido em Cristo’); Rio Pardo de Minas (‘Associação de Mulheres de Olhos D’água Unidas pela Amizade)’; São João do Paraíso (‘Associação das Trabalhadores Rurais do Paraguai’); Taiobeiras (‘Associação da Comunidade de Atanásio’).

De modo geral, encontrou-se bastante dificuldades para as mobilizações, porém concretizaram-se algumas reuniões junto aos agricultores, por oportunidades das visitas técnicas pré-agendadas às associações (apresentações dos princípios norteadores do projeto: diagnósticos, resgates, procedimentos para agricultura sustentável, bancos de sementes, experimentação comunitária, etc.). A busca por sementes focou em materiais fidedignamente considerados como tradicionais (crioulos) (Figura 1), porém, muitas vezes, os relatos e colaborações resultavam em sementes comerciais que já haviam sido produzidas por técnicas de melhoramento convencional, ou seja, genótipos advindos de empresas públicas ou privadas. Os acessos em que não se tinha nomenclatura popular, foram identificados por nomes relacionados à região de origem por proposição da equipe deste projeto (Tabela 1).

Figura 1: Exemplos de aspectos de sementes de variedades de milhos crioulos resgatadas (recorte com nomenclatura definida) e caracterizadas quanto à diversidade genética.

Fonte: O próprio autor

Tabela 1. Variedades de milho crioulo, relatadas, resgatadas e caracterizadas quanto à diversidade genética.

• Caracterizações da diversidade genética

Foram conduzidos ensaios de gradientes de temperaturas de anelamento, como forma de averiguar as capacidades de amplificações com os diferentes oligonucleotídeos (primers) ISSR disponíveis. As temperaturas do gradiente foram intervaladas entre 45ºC e 65ºC, conforme recurso de randomização próprio aparelho termociclador. O arranjo para o preparo das placas de PCR possibilitou testar quatro oligonucleotídeos (primers) ISSR simultaneamente, conforme esquema apresentado na Figura 2.

Figura 2:  Interface fornecida pelo aparelho termociclador, evidenciando a programação do intervalo em gradiente, quanto às temperaturas de anelamento nas placas de PCR (45^oC a 65^oC).

Fonte: O próprio autor.

Durante a execução das análises moleculares, foram testados 56 oligonucleotídeos ISSR, cujos resultados estão sintetizados na Tabela 2. Deste total, 34 caracterizam-se como sendo amplamente polimórficos, sob as temperaturas de anelamento específicas identificadas nesse procedimento. Na Figura 3 tem-se uma exemplificação de análise eletroforética dos testes de gradiente.

Tabela 2: Resultados dos testes de gradiente de temperaturas de anelamento, envolvendo DNA’s de acessos de milhos crioulos resgatados no âmbito do trabalho.

Fonte: O próprio autor.

Figura 3: Exemplificação de corrida eletroforética para testes de gradiente de temperatura de anelamento, envolvendo oligonucleotídeos (primers) ISSR (45^oC a 65^oC) e DNA de variedades de milho crioulo. A e B referem-se a genótipos aleatoriamente escolhidos da coleção resgatada.

Fonte: O próprio autor.

Foram caracterizadas todas as 44 variedades de milho crioulo resgatadas no âmbito deste projeto, envolvendo os 34 oligonucleotídeos (primers) ISSR identificados como polimórficos. Nesta perspectiva, foram executadas 1.344 reações referentes aos procedimentos de testes de gradientes de temperaturas de anelamento, além de outras 1.632 para amplificações da coleção resgatada, desconsiderando as falhas esporádicas (153 reações refeitas).

As análises de distâncias genéticas foram realizadas a partir das amplificações das 44 variedades de milhos crioulos resgatadas, divididas em dois grupos de 22 acessos por circunstância do potencial vantagem fenotípica (“nível de tolerância a veranicos” e “produção na ausência de insumos”). Os 34 primers ISSR utilizados produziram 32 bandas monomórficas e 213 bandas polimórficas, totalizando 245 bandas amplificadas de boa qualidade. A quantidade de bandas variou de 15 [(GA) 8C] a 3 [(GA) 8YT], com média de 7,2 por oligonucleotídeo (primer). Do total de bandas amplificadas, 86,94% revelaram polimorfismo, sugerindo uma elevada variabilidade genética entre as 44 variedades de milhos crioulos resgatadas, em relação aos dados geralmente encontrados no melhoramento convencional. Os oligonucleotídeos em que prevalecia a sequência de bases GA amplificaram o maior número de fragmentos polimórficos.

Nas Tabelas 3 e 4 encontram-se as matrizes de distâncias genéticas relativas (%). A partir dos dados, identificou-se as variedades mais divergentes entre si (menos similares), o que orientou os esquemas de hibridações recíprocas (prevendo efeitos maternos). Adotou-se como critério as combinações em que as variedades apresentaram divergência genética relativa superior a 20% (Tabela 5). A diferenciação genética observada neste trabalho é bastante superior à maioria dos estudos de diversidade, sejam eles envolvendo animais, plantas e microrganismos; executados com a mesma coleção de oligonucleotídeos da University of British Columbia (UBC primer set #9, Vancouver, Canada) (SOUZA et al.,2008; GEORGE et al.,2009; ANAND et al.,2010; RIZKALLA, et al.,2012; GHAZALLI et al.,2015; VIEIRA et al., 2015). Estes resultados são de especial interesse para fomentar programas de melhoramento.

O estudo da diversidade visa a elucidar relações genéticas, quantificar ou predizer o nível de variabilidade total existente e a sua distribuição entre e/ou dentro de unidades taxonômicas, quer elas envolvam indivíduos; acessos de banco de germoplasma; linhagens; cultivares; populações de sistemas controlados de acasalamento ou naturais (exogâmicas); e espécies. Este conhecimento tem proporcionado importantes contribuições ao melhoramento genético, ao gerenciamento de bancos de germoplasma, à conservação de recursos genéticos e ao entendimento dos processos evolutivos (CRUZ et al., 2011).

Dentre as possibilidades de estudos da diversidade, destacam-se: determinação das inter-relações genéticas entre linhagens, cultivares e populações; identificação de combinações parentais adequadas à obtenção de híbridos altamente heteróticos e que possibilitem maior segregação em recombinações, com o aparecimento de transgressivos; introgressão de genes favoráveis provenientes dos acessos de bancos de germoplasma, componentes da base genética da espécie-alvo; identificação de variedades derivadas genealogias específicas. Além disso, nos bancos de germoplasma, a análise da diversidade pode ajudar a classificar corretamente um acesso, identificar duplicatas e subgrupos de coleções-núcleo, além de auxiliar na quantificação do nível de variabilidade presente em um pool gênico, bem como seu fluxo através do tempo (REIF et al.,2005).

Tabela 3: Matriz de distâncias genéticas relativas (frequência) entre 22 variedades de milho crioulas (produção na tolerância a veranicos).

*Combinações de variedades mais divergentes entre si (menos similares). Fonte: O próprio autor.

Tabela 4: Matriz de distâncias genéticas relativas (frequência) entre 22 variedades de milho crioulas (produção na ausência de insumos).

*Combinações de variedades mais divergentes entre si (menos similares). Fonte: O próprio Autor.

Tabela 5. Esquema de hibridações realizadas entre combinações de variedades divergentes de milho crioulo, com base em primers ISSR.

O próprio Autor.

Considerações Finais

As coleções prospectadas e caracterizadas neste trabalho possuem enormes potenciais para compor populações-base de programas de melhoramento genético (múltiplas finalidades), sejam eles participativos ou convencionais, sendo que os últimos geralmente padecem por bases genéticas estreitas.

Agradecimentos

Esse trabalho foi fomentado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais – FAPEMIG, relativo ao projeto “Melhoramento Participativo de Milho com Enfoque na Agrobiodiversidade do Semiárido Mineiro”. (FAPEMIG APQ-03554-14), Edital 07/2014 – Apoio a Projetos de Extensão em Interface com a Pesquisa.

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CAPÍTULO 4

FIBRAS VEGETAIS UTILIZADAS COMO PLÁSTICOS DE BASE BIOLÓGICA PARA VEÍCULOS AUTOMOTIVOS: UMA REVISÃO

VEGETABLE FIVERS USED AS BIOLOGICALLY-BASED PLASTICS FOR AUTOMOTIVE VEHICLES: A REVIEW

DOI: https://doi.org/10.56001/22.9786500495669.04

Submetido em: 23/02/2023

Revisado em: 13/03/2023

Publicado em: 27/03/2023

Jomar Berton Junior

Instituto Federal do Paraná, Telêmaco Borba-PR

http://lattes.cnpq.br/4714967818055223

Milena do Prado Ferreira

Universidade Estadual de Londrina, Departamento de Química, Londrina-PR

http://lattes.cnpq.br/0390586020405082

Felipe Augusto Gorla

Instituto Federal do Paraná, Assis Chateaubriand-PR

http://lattes.cnpq.br/3755633478254800

Sharise Beatriz Roberto Berton

Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Departamento de Química de Materiais, Apucarana-PR

http://lattes.cnpq.br/4838760783430304

Resumo

A poluição causada devido ao acúmulo de resíduos poliméricos convencionais, ou seja, provenientes do petróleo, é de grande preocupação para o meio ambiente e para o ser humano. Na busca da diminuição deste impacto ambiental, diversos estudos foram desenvolvidos e aplicados, utilizando os chamados plásticos de base biológica. Veículos automotivos são produzidos a partir de um quinto de seu peso utilizando plástico convencional, devido a isso, o presente trabalho apresentou por meio de revisão da literatura, os diferentes tipos de plásticos que possuem características biodegradáveis, como alternativa para o uso em veículos automotivos, a fim de aprofundar o assunto sobre o tema em questão. O interesse e a produção deste tipo de material, surge a partir de 1940. Anos mais tarde, aparecem os primeiros veículos automotivos que passaram a fazer uso de uma matriz de PLA (Ácido Polilático) de cana-de-açúcar e batata doce e uma matriz epóxi com a adição de juta para algumas peças dos veículos. Portanto, estes materiais já são uma realidade atualmente, e podem ser utilizados em veículos automotivos como substitutos dos polímeros convencionais.

Palavras-Chave: impacto ambiental, meio ambiente, biodegradável.

Abstract

The pollution caused due to the accumulation of conventional polymeric residues, that is, from petroleum, is of great concern for the environment and for the human being. In the search to reduce this environmental impact, several studies were developed and applied, using the so-called bio-based plastics. Automotive vehicles are produced from a fifth of their weight using conventional plastic, due to this, the present work presented, through a literature review, the different types of plastics that have biodegradable characteristics as an alternative for use in automotive vehicles, the in order to delve deeper into the topic in question. The interest and production of this type of material began in 1940. Years later, the first automotive vehicles appeared, which started to use a PLA (Polylactic Acid) matrix from sugarcane and sweet potato and a epoxy matrix with the addition of jute for some vehicle parts. Therefore, these materials are already a reality today, and can be used in automotive vehicles as substitutes for conventional polymers.

Keywords: environmental impact, environment friendly, biodegradable.

Introdução

A produção global de plásticos convencionais a base de petróleo, ou seja, os fabricados via polimerização que é a união de monômeros formando polímeros sintéticos, até 2019, somaram cerca de 359 milhões de toneladas por ano (LEOW et al., 2022; MICHAUX, 2019). Esta tendência do uso de plásticos a nível mundial é responsável por aproximadamente 150-200 milhões de toneladas de lixo descartado anualmente (TOURNIER et al., 2020).

Existem basicamente três rotas de descarte do plástico conhecido e aceito globalmente: a reciclagem mecânica, incineração e acumulados em aterro (GARCIA; ROBERTSON, 2017). Porém, muitos destes resíduos sólidos são descartados ilegalmente em rios e oceanos, causando assim, grande impacto ao meio ambiente, tornando-o altamente insustentável (LEOW et al., 2022).

Por isso, sugere-se a biodegradação, que é a mineralização de materiais como resultado da ação de microrganismos de ocorrência natural, como os fungos e bactérias. Porém, biodegradação dos plásticos tradicionais é muito limitada, devido principalmente ao seu alto peso molecular, estrutura química e baixa solubilidade em água (GÓMEZ; MICHAEL JR, 2013). Por este motivo, o plástico convencional permanece no meio ambiente por muitos anos, gerando assim diversos problemas principalmente ambientais.

A fim de fornecer um ambiente sustentável para futuras gerações, além de reduzir nossa dependência de plásticos convencionais, torna-se essencial o esforço para utilização e melhoria da tecnologia dos chamados plástico de base biológica biodegradáveis ou plástico biodegradável, que sofrem este processo de biodegradação (GÓMEZ; MICHAEL JR, 2013).

Os plásticos de base biológica, são produzidos a partir de matérias primas renováveis como sementes, grãos entre outras matrizes e são biodegradáveis com a ação natural de microrganismos. Já os plásticos biodegradáveis, possuem cadeias poliméricas que sob condições apropriadas possuem o mesmo efeito natural de ação de microrganismos, que decompõem em substâncias menores, porém, são plásticos feitos com o amido, celulose e outros polissacarídeos. Temos ainda os bioplásticos, que é uma designação geral para plásticos biodegradáveis, ou seja, plásticos que são produzidos a partir de compostos renováveis e ainda possuem as mesmas propriedades que os plásticos convencionais, porém são sustentáveis (GÓMEZ; MICHAEL JR, 2013). 

Pesquisas estão sendo desenvolvidas com o objetivo aperfeiçoar e utilizar cada vez mais estes tipos de plásticos citados acima. Devido a isso, recentemente, inúmeras tendências no desenvolvimento de plásticos de base biológica a partir de fibras vegetais ou biomassa renovável proveniente de plantas têm surgido, tornando o mundo mais sustentável e verde (SHEN et al., 2020).

Outro exemplo que surgiu são os bioplásticos formados a partir de butanodiol (BDO), este é um produto químico usado como solvente e em blocos de construção em bioplásticos. Estes bioplásticos formados a partir de BDO são completamente biodegradáveis, formando o Bio-BDO que pode ser utilizado para criar uma ampla gama de produtos, incluindo para-choques de carro, de uma forma mais eficiente em termos energéticos e sem petróleo ou gás natural (BECKER; WITTMAN, 2015).

Importante destacar que a degradação total destes materiais, ocorrem facilmente sob a influência de temperatura, umidade, luz, oxigênio disponível e a ação por microrganismos (KOITABASHI et al., 2012).

Diante disso, este trabalho tem como objetivo apresentar os diferentes tipos de plásticos que possuem características biodegradáveis, principalmente os de base de fibras vegetais para uso em veículos automotivos, em comparação com os plásticos convencionas, a fim de aprofundar o assunto e difundir o conhecimento sobre o tema em questão, para que possamos tornar o mundo cada vez mais verde.

Metodologia

A presente pesquisa foi realizada primeiramente por um levantamento prévio de artigos que abordam o tema em questão. O critério de escolha deu-se principalmente pelos mais recentes e relacionados a pesquisa, estes foram selecionados e citados ao longo do artigo.

A pesquisa de revisão bibliográfica, foi realizada utilizando bases científicas, das quais é possível citar: Scielo, Portal da Capes, ISI – Web of Science, entre outras bases, utilizando as palavras-chave citadas no artigo e palavras/frases como: veículos sustentáveis, carros utilizando tecnologia verde, fibras vegetais, bioplásticos, fibra de coco, substituição de plásticos convencionais, produção de plásticos a base de fibras vegetais, entre outras. As expressões equivalentes a estas palavras-chave na língua inglesa, são: sustainable vehicles, cars using green technology, plant fibers, bioplastics, coconut fiber, replacement of conventional plastics, production of plant-based plastics.

Do ponto de vista científico, artigos de revisão bibliográfica são extremamente importantes devido a apresentação de um caráter exploratório, além disso, possibilita maior aprofundamento do tema em questão, pois o mesmo é desenvolvido baseado em artigos já publicados (FERREIRA et al., 2019).

• Levantamento bibliográfico para estudo do tema

A seguir, são apresentados uma revisão de artigos científicos publicados principalmente sobre o desenvolvimento dos plásticos de base biológica, utilizando as mais variáveis fibras vegetais e outros constituintes para a produção destes.

Resultados e Discussão

• Produção e desenvolvimento de plásticos de base biológica

A contaminação do meio ambiente com detritos plásticos convencionais é um dos maiores problemas ambientais que enfrentamos atualmente, isto influencia a fauna e flora todo o ecossistema, incluindo os seres humanos (KOELMANS et al., 2019). Estima-se que apenas cerca de 70% de todo o plástico produzido tenha sido destinado corretamente, e o restante (30%), foi ou é descartado de maneira inadequada (BIZOKOJC, 2021).

Devido a isso, a produção de bioplásticos, ou seja, tanto os plásticos de base biológica quanto plásticos biodegradáveis, podem ser classificados desta maneira, começou a surgir forte interesse logo nas décadas de 1940 e 1950 (TSUJI, 2000).

Em 1966 a Mercebes-Benz inovou nos painéis das portas de seus veículos com a utilização de uma matriz epóxi com a adição de juta (PHONG et al., 2010). A Toyota, utilizou uma matriz de PLA (Ácido Polilático) de cana-de-açúcar e batata doce e foi reforçada com fibras de kenaf (AVEROUS et al., 2000). Já em 2000, a Audi lançou o carro de médio porte, reforçado com material misto de linho/sisal (TSUJI, 2000).

Para motores de automóveis da Mitsubichi, alguns componentes internos que combinam fibras de bambu juntamente com uma resina à base de plantas e polibitileno succinato (PBS), além de tapetes feitos com PLA e fibras de nylon (VAN DE VELDE; KIEKENS, 2002). 

Desde então vêm aumentando, chegando recentemente a quase 368 milhões de toneladas globalmente em 2019 (PLASTICSEUROPE, 2020). Aproximadamente 1% desta produção é composta por plásticos de base biológica (PLASTICSEUROPE, 2020).

Os plásticos produzidos a partir de base biológica, são polímeros sintetizados utilizando recursos renováveis como amido, açúcar, diferentes tipos de fibras naturais ou outros compostos orgânicos biológicos. (GÓMEZ; MICHAEL JR, 2013). Diversas proteínas vegetais como zeína de milho, glúten de soja, trigo, além de proteínas animais como proteínas do leite, colágeno, gelatina, queratina, entre outras podem também serem utilizadas para o desenvolvimento dos bioplásticos (CHONG et al., 2021).

Porém, utilizando apenas água para a gelatinização, se produz produtos muito quebradiços, por isso, para ser lançados bioplásticos de sucesso, se faz necessário a adição de plastificantes como o glicerol ou sorbitol, que são muito utilizados e compatíveis com proteínas, esta adição melhora a flexibilidade e manuseabilidade dos filmes (BERTON et al., 2020; GONZÁLEZ; ROMERO, 2022).

Os bioplásticos a base de amido pertence a classe dos mais produzidos atualmente, estes são realizados com misturas complexas de outros plásticos compostáveis, como o PLA (Ácido Polilático); PBLAT (Polibutirato); PBS (Polibutileno succinato) e PHAs (Polihidroxialcanoatos) (RAVINDRA et al., 2018; VENKATACHALAM; PALANISWAMY, 2020).

Estas misturas complexas são essenciais para melhorar as propriedades mecânicas dos filmes e também evitar o encolhimento dos mesmos. Alguns enchimentos são usados como reforço em materiais termoplásticos para melhorar o comportamento mecânico de filmes a base de amido. A bentonita (argila composta sobretudo pelo mineral montmorilonita), provoca interação com redes compostas de amido, e pode ser utilizado para a produção de bioplásticos a base de amido (BEHERA et al., 2022).

Está ganhando espaço, os chamados compósitos poliméricos, que é resultado da mistura de mais de um elemento, trabalhando juntos, com o objetivo de produzir um material, cuja propriedades sejam diferentes quando comparada com a deles em sua forma isolada, e estes são utilizados em vários setores, incluindo o automotivo, aeroespacial e construção (PATEL et al., 2022).

Pesquisas utilizando resíduos vegetais como fibras de coco e juta são uma realidade, e foram utilizados como reforços em um compósito de resina epóxi feito pelo método de laminação manual. O resultado mostra que o compósito epóxi reforçado com fibra de juta oferece propriedades mecânicas aprimoradas quando comparadas com as amostras feitas de compósito de fibra de coco e fibra mista (PATEL et al., 2022).

Alguns outros tipos de compósitos já foram produzidos, utilizando diversas fibras vegetais como eucalipto, juta, linho, kenaf para aplicação em peças internas de automóveis além das tecnologias para realizar tais peças (moldagem por injeção, moldagem por injeção de baixa pressão, entre outras) (MAGURNO, 2000).

Este é um avanço extremamente importante, pois sabe-se que os materiais poliméricos representam aproximadamente 20% do peso total de veículos automotivos. Sendo assim, os compósitos de fibra natural com matrizes termoplásticas e termofixas, estão sendo cada vez mais utilizados pelas indústrias de automóveis europeus. Estes compósitos são utilizados na fabricação de diversas peças, como painéis, portas, encostos de banco, entre outras peças internas (DENAULT, 2009).

Neste sentido, Rusu et al., (2012), mostram três exemplos de bioplásticos e bioplásticos reforçados com fibras vegetais para demonstrar o quão potencial são estes materiais com o objetivo de utilizá-los em aplicações automotivas (RUSU et al., 2012).

Os exemplos são: Bio-PA (Biopoliamidas), produzidas com biomassa renovável, que possui excelente propriedade mecânica, resistência a temperatura, resistência a produtos químicos como óleos e solventes. O segundo exemplo seria o Bio-PP (Polipropileno de base biológica), pode ser obtido a partir de recursos biológicos por desidratação de butileno de bio-isobutanol obtido a partir de glicose e subsequente polimerização (SIRACUSA; BLANCO, 2020; RUSU et al., 2012).  A mistura de compostos à base de PLA (Poli (ácido lático)), também é um polímero biodegradável, com unidades repetidas de ácido lático e pode ser derivado até mesmo de resíduos agrícolas (DEERAJ et al., 2022).

­­Considerações Finais

Polímeros biodegradáveis são uma classe especial de materiais ecologicamente corretos, que apresentam benefícios para a humanidade e principalmente para o meio ambiente. Como foi possível observar ao longo do artigo, estes materiais já são uma realidade atualmente, e podem ser utilizados em veículos automotivos como substitutos dos polímeros convencionais, visto que aproximadamente 20% em peso de um veículo é constituído de polímeros. Estes chamados convencionais, são à base de petróleo, não são degradáveis e causam enorme poluição após o seu uso final.

Desde 1940, o interesse e a produção dos bioplásticos, tem sido impulsionado por problemas de gerenciamento de resíduos cada vez mais acentuados. Pesquisas recentes sobre o tema em questão, demonstram que estes plásticos biodegradáveis a base biológica está crescendo continuamente, e espera-se que estes ocupem uma posição própria no mercado de polímeros.

A aplicação destes compostos verdes precisam ser muito bem estudas em relação a sua aplicabilidade em um veículo automotivo, pois dependendo do local onde é aplicado, ou seja, lugares onde ocorra boa disponibilidade de luz, calor, umidade, pode apresentar problemas devido a sua natureza decomponível. Esta questão de biodegradabilidade pode ser um problema que precisa ser abordado quando se visa a aplicação de compósitos 100% de base biológica.

Referências

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CAPÍTULO 5

CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA DO ÓLEO ESSENCIAL EXTRAÍDO DE CASCAS DE Schinus terebinthifolius RADDI NO MUNICÍPIO DE PETROLINA-PE

ESSENCIAL OIL CHEMICAL CHARACTERIZATION EXTRACTED FROM THE BARK OF Schinus terebinthifolius RADDI IN THE PETROLINA-PE COUNTY

DOI: https://doi.org/10.56001/22.9786500495669.05

Submetido em: 14/03/2023

Revisado em: 22/03/2023

Publicado em: 27/03/2023

Michele Sousa Travassos Torres

PhD Student from the Doctoral Graduate Program in Agroecology and Territorial Development, Universidade Federal do Vale do Rio São Francisco (UNIVASF), Petrolina-PE, Brazil

http://lattes.cnpq.br/8285810788197107

Rita de Cássia Rodrigues Gonçalves Gervásio

PhD Professora, Doctoral Graduate Program in Agroecology and Territorial Development, Universidade Federal do Vale do Rio São Francisco (UNIVASF), Petrolina-PE, Brazil

http://lattes.cnpq.br/8008165182839362

Yury Jansen Soares Siqueira Torres

Mestrado em Química Analítica, Universidade Federal do Maranhão (UFMA), São Luís-MA, Brazil

http://lattes.cnpq.br/7582349700423169

Resumo

Schinus terebinthifolius Raddi é uma planta nativa do Brasil, porém não endêmica, pertencente à família Anacardiaceae, com ampla distribuição geográfica nas regiões Nordeste, Centro-Oeste, Sudeste e Sul do país. Suas folhas e cascas do caule são amplamente utilizadas na medicina popular como adstringente, antimicrobiano, cicatrizante, anti-inflamatório, antipirético e analgésico. A maioria dos estudos químicos realizados até o momento indicam que essa espécie possui uma quantidade significativa de terpenos nos óleos essenciais de suas folhas. No entanto, há uma escassez de estudos que explorem os compostos químicos presentes na casca de Schinus terebinthifolius. Nesse sentido, o objetivo deste estudo foi avaliar os constituintes químicos presentes no óleo essencial das cascas de S. terebinthifolius coletadas no município de Petrolina-PE. O material para extração do óleo essencial foi constituído de cascas frescas de S. terebinthifolius. A extração dos óleos essenciais foi realizada por hidrodestilação e sua análise química através de cromatografia gasosa.  O rendimento de óleo essencial obtido foi 0,2%, sendo que os constituintes majoritários foram os sesquiterpenos Caryophyllene oxide (13.61%) e Caryophylla- 4(12),8(13) -dien-5α-ol (3.89%). A relação entre as propriedades terapêuticas do óleo essencial das cascas de S. terebinthifolius e sua composição química é um tema de grande importância. No entanto, é fundamental realizar estudos mais detalhados sobre os efeitos biológicos e sinérgicos dos componentes químicos presentes neste óleo essencial, a fim de explorar plenamente seu potencial terapêutico em aplicações medicinais.

Palavras-chave: plantas aromáticas; cromatografia gasosa; metabólicos secundários.

Abstract

Schinus terebinthifolius Raddi is a plant native to Brazil, but not endemic, belonging to the Anacardiaceae family, with wide geographic distribution in the Northeast, Midwest, Southeast and South regions of the country. Its leaves and stem bark are widely used in folk medicine as an astringent, antimicrobial, healing, anti-inflammatory, antipyretic and analgesic. Most chemical studies carried out so far indicate that this species has a significant amount of terpenes in the essential oils of its leaves. However, there is a scarcity of studies that explore the chemical compounds present in the bark of Schinus terebinthifolius. In this sense, the objective of this study was to evaluate the chemical constituents present in the essential oil of the bark of S. terebinthifolius collected in the municipality of Petrolina-PE. The material for extracting the essential oil consisted of fresh bark of S. terebinthifolius. The extraction of essential oils was performed by hydrodistillation and their chemical analysis through gas chromatography. The yield of essential oil obtained was 0.2%, and the major constituents were the sesquiterpenes Caryophyllene oxide (13.61%) and Caryophylla-4(12),8(13)-dien-5α-ol (3.89%). The relationship between the therapeutic properties of the essential oil from the bark of S. terebinthifolius and its chemical composition is a topic of great importance. However, it is essential to carry out more detailed studies on the biological and synergistic effects of the chemical components present in this essential oil, in order to fully explore its therapeutic potential in medicinal applications.

Keywords: aromatic plants; gas chromatography; secondary metabolites.

Introdução

Schinus terebinthifolius Raddi é uma planta nativa do Brasil, porém não endêmica, pertencente à família Anacardiaceae, com ampla distribuição geográfica nas regiões Nordeste, Centro-Oeste, Sudeste e Sul do país (FLORA DO BRASIL, 2018). Suas folhas e cascas do caule são amplamente utilizadas na medicina popular como adstringente, antimicrobiano, cicatrizante, anti-inflamatório, antipirético e analgésico (MAIA et al., 2021; CARVALHO et al., 2013; SANTOS et al., 2010; SANTOS et al., 2012). Além disso, essa espécie vegetal é usada principalmente como condimento, conhecido como pimenta-rosa e obtido através do processamento de seus frutos (ULIANA et al., 2016; CORADIN et al., 2018).

 A aroeira-vermelha (S. terebinthifolius) se caracteriza como sendo uma árvore perenifólia, com altura que varia entre 5 e 10 m e uma copa ampla. Seu tronco é cilíndrico e pouco denso (MAIA et al., 2021). Neves et al., (2016) e Rorato et al., (2018) descreveram a casca interna do tronco de S. terebinthifolius como fibrosa, com odor característico de terebintina e tonalidade avermelhada. As flores são pequenas, masculinas e femininas, reunidas em panículas piramidais na extremidade dos ramos. Os frutos, do tipo drupa, são muito aromáticos, medem de 4 a 5 mm de diâmetro, com coloração vermelho vivo, tornando-se brilhantes, à medida que amadurecem (LORENZI; MATOS, 2002). A maioria dos estudos químicos realizados até o momento indicam que essa espécie possui uma quantidade significativa de terpenos em seus óleos essenciais, incluindo monoterpenos como: limoneno, α-pineno, β-pineno, α-felandreno, δ-3-careno, o-cimeno, mirceno e, sesquiterpenos como:  germacreno D presentes nas folhas e frutos (RAMOS et al., 2022; GOIS et al., 2016; SANTOS et al., 2014; GILBERT; FAVORETO, 2011; BARBOSA et al., 2007). No entanto, hoje há uma escassez de estudos que explorem os compostos químicos presentes na casca de S. terebinthifolius.

A rica composição química dos óleos essenciais está diretamente relacionada às atividades biológicas benéficas à saúde e ao meio ambiente. No entanto, a composição química pode variar para uma mesma espécie devido a fatores como estações do ano, horário de coleta, região, secagem da planta antes do processo de extração, método de extração e condições de armazenamento (SILVA et al., 2005; BARBOSA et al., 2006; LEMOS et al., 2012; PIMENTEL et al., 2013; FRANCO‐VEGA et al., 2016), interferindo na quantidade e qualidade dos seus constituintes químicos (BALDOUX, 2018; GOBBO-NETO; LOPES, 2007). Neste contexto, o objetivo deste estudo foi avaliar os constituintes químicos presentes no óleo essencial das cascas de S. terebinthifolius coletadas no município de Petrolina-PE.

Material e Métodos

• Material Vegetal

A espécie vegetal S. terebinthifolius utilizada neste estudo, foi identificada pela equipe de profissionais do Centro de Referência para Recuperação de Áreas Degradadas da Caatinga, da Universidade Federal do Vale do São Francisco (CRAD/UNIVASF). Três amostras da planta foram depositadas no Herbário Vale do São Francisco (HVASF) com o seguinte número de registro: S. terebinthifolius (24.233). O material para extração do óleo essencial foi constituído de cascas frescas de S. terebinthifolius coletadas no período da manhã, entre os meses de março a maio de 2021. As coletas foram realizadas em um viveiro na região central do município de Petrolina-PE (latitude: 9° 22’ 60” S e longitude: 40° 27’ 26” W).

• Extração e rendimento do óleo essencial

Para a extração dos óleos essenciais, foram pesados em triplicata 100 g de cascas frescas de S. terebinthifolius. O material foi transferido, individualmente, para balões volumétricos de 2 litros, aos quais foi adicionado 1,5 L de água. Cada balão foi acoplado a um aparelho de Clevenger para proceder à hidrodestilação, seguindo as recomendações da Farmacopeia Europeia (1983). Ao final do processo, o óleo essencial foi medido diretamente em uma bureta de extração. A análise gravimétrica para se obter o rendimento de óleo (%, p/p) foi realizada com base no peso fresco, conforme equação:

RO% = (Mo*100) / Bm.

Onde: RO%, Mo e Bm, correspondem ao rendimento do óleo essencial, a massa do óleo essencial extraído e biomassa vegetal, respectivamente.

Após a extração, os óleos foram armazenados em frasco âmbar e conservados a 4°C até o uso.

• Análise GC-MS

A análise química do óleo essencial foi realizada utilizando o equipamento SHimadzu QP 2020, que consiste num Cromatógrafo Gasoso GC-2010, acoplado a um analisador de espectrometria de massas quadrupolar. A coluna utilizada foi uma RTX 5MS (crosslinked 5% fenil metil siloxano) com 30 m × 0,25 mm de diâmetro interno (DI), espessura de película de 0,25 µm. O gás de arraste foi o hélio, com fluxo de coluna de 1,82 ml.min-1. A quantidade de amostras injetadas foi de 1 µL com split de 5:1. A temperatura do forno era inicialmente de 50°C, aumentada a uma taxa de 3°C. min-1 até 280° C. O espectrômetro de massa quadrupolo foi varrido ao longo do intervalo 37 a 660 u (unidade de massas atômica) com uma voltagem de Impacto Eletrônico de 70 eV. Os principais componentes dos óleos essenciais foram identificados com base nos espectros de massa comparados com dados do banco de dados da Biblioteca de Massas NIST14.

Resultados e Discussão

  O rendimento de óleo essencial obtido foi 0,2%. A análise por CG-MS dos óleos essenciais de S. terebinthifolius gerou 48 picos (Figura 1), onde foi possível identificar pela comparação do espectro de massa com o banco de dados da Biblioteca de massas NIST14, sete componentes (Tabela 1), sendo em sua maioria sesquiterpenos, perfazendo 57,1% de sua composição total. Os constituintes majoritários foram os sesquiterpenos Caryophyllene oxide (13.61%) e Caryophylla- 4(12),8(13) -dien-5α-ol (3.89%).

Figura 1: Perfil cromatográfico do óleo essencial das cascas e tronco de S. terebinthifolius.

Fonte:  Torres, M.S.T. (2022)

Tabela 1. Constituintes do óleo essencial de cascas e tronco de S. terebinthifolius.

(*) Índice de Similaridade com base nos espectros de massa da Biblioteca de Massas NIST14.

(**) Tempo de Retenção.

Fonte:  Torres, M.S.T. (2022)

Os resultados encontrados no presente estudo diferem dos obtidos por ALVES et al., (2015) que avaliaram o rendimento e o perfil fitoquímico dos óleos essenciais de oito espécies vegetais, dentre elas a aroeira-vermelha (S. terebinthifolius) que verificaram um teor de 0,3 % de OE obtido a partir de seus frutos coletados no município de Búzios – RJ. Os mesmos autores identificaram os monoterpenos α-pineno, δ-3-careno e limoneno como componentes majoritários para esta espécie. Enquanto Santos et al., (2013), obtiveram óleo essencial das folhas de Schinus terebinthifolius extraídos por hidrodestilação com um rendimento de 0,8%. Já Pratti (2017), avaliou o rendimento e os compostos químicos dos OEs da espécie S. terebinthifolius obtidos a partir de frutos maduros, frutos imaturos e folhas frescas, coletados nos municípios de Guarapiri -ES e Aracruz-ES. O melhor rendimento obtido por Pratti foi para os frutos maduros que apresentaram um teor de óleo essencial de 2,73%. No que se refere a composição química, esta mesma autora identificou para os frutos maduros predominância de constituintes monoterpênicos, com traços de sesquiterpenos, enquanto no óleo essencial dos frutos imaturos e das folhas observou-se a presença de sesquiterpenos em maior quantidade. O componente majoritário do óleo essencial do fruto maduro e das folhas foi o δ-3-careno, já do fruto imaturo foi o limoneno. Comparando os estudos realizados por Alves et al., (2015) e Pratti (2017) que trabalharam com extração de OE de S. terebinthifolius, a partir de frutos, verificou-se que apenas dois dos três componentes majoritários identificados no trabalho de Alves et al., (2015) foram comuns aos constituintes identificados por Pratti (2017), sendo estes o δ-3-careno e limoneno, em diferentes concentrações. A variação da composição química dos OEs extraídos por Alves et al., (2015) e Pratti (2017) foi totalmente diferente do perfil cromatográfico do OE extraído das cascas de S. terebinthifolius do presente trabalho. Neste sentido, acredita-se que a variabilidade química do OE de S. terebinthifolius extraído de diversas partes da planta seja, realmente, influenciada por fatores como clima, solo, estações do ano, forma de plantio, adubação, uso de agrotóxicos, irrigação, tempo e condições ambientais e variação geográfica (FRANCO et al., 2005; OLIVEIRA et al., 2005; APEL et al., 2006; ASEKUN et al., 2006; CARVALHO FILHO et al., 2006; POTZERNHEIM et al., 2006; TELCI et al., 2006; SEFIDKON et al., 2007).

A identificação do óxido de cariofileno como constituinte principal encontrado neste estudo é corroborada com os   resultados obtidos por Alcântara (2015), que investigou a composição química e o potencial terapêutico dos óleos essenciais de 19 espécies amazônicas extraídas das folhas, galhos e frutos através da hidrodestilação. Alcântara (2015) identificou o óxido de cariofileno como o constituinte majoritário da maioria dos óleos essenciais, incluindo folhas de Annona insignis (35,4%), Guatteria blepharophylla (55,7%), G. foliosa (33,7%), G. olivacea (31,2% e 18,5%), G. scytophylla (21,4%) e nos galhos de G. blepharophylla (51,0%). Segundo Alcântara (2015), a maioria dos óleos essenciais que apresentam óxido de cariofileno como constituinte majoritário possui atividades citotóxicas e antimicrobianas comprovadas, indicando o potencial farmacológico desses óleos essenciais para essas funções terapêuticas.

No presente estudo, os monoterpenos Verbenol e Bicyclo[3.1.1]hept-3-en-2-one, 4,6,6-trime, apesar de representarem apenas 28,6% da composição química do óleo essencial das cascas de S. terebinthifolius, desempenham em outros trabalhos, um papel importante como componentes majoritários de vários óleos essenciais extraídos de diferentes espécies de plantas. Diversos óleos essenciais contêm monoterpenos com atividades farmacológicas, como ansiolíticas, antissépticas, anti-inflamatórias, analgésicas, calmantes e sedativas devido à presença desses compostos (WOLFFENBUTTEL, 2016).

Compostos monoterpênicos como linalol, limoneno e citronelol possuem ação sobre o Sistema Nervoso Central (SNC), enquanto mentol e mirceno têm atividade analgésica (PASSOS et al., 2019). O monoterpeno verbenol, por sua vez, apresenta forte ação anti-isquêmica (JU et al., 2013). Já a verbenona pode ser gerada naturalmente através da biotransformação do verbenol, apresentando ações antibacterianas, antifúngicas e larvicidas (ANGIONI et al., 2004; BERNARDES et al., 2010; KYARIMPA et al., 2014; MEEPAGALA et al., 2003).

Mendes (2015) estudou as atividades antifúngicas e anti-ocratoxigênicas de dois óleos essenciais, incluindo o óleo essencial de Rosmarinus officinalis, identificando a verbenona como componente majoritário. Segundo esta mesma autora, o óleo essencial de Rosmarinus officinalis representa uma alternativa promissora tanto para o controle do crescimento do fungo Aspergillus carbonarius quanto para a produção de ocratoxina A. A verbenona também foi identificada em outras espécies vegetais, como Tagetes minuta e Lallemantia royleana (CAMILETTI et al., 2014; KYARIMPA et al., 2014).

Conclusão

A extração do óleo essencial de S. terebinthifolius por hidrodestilação apresenta rendimento inferior em comparação com os teores de óleos essenciais extraídos das folhas frescas e frutos da mesma espécie registrados na literatura.

Por meio da análise cromatográfica dos óleos de cascas de S. terebinthifolius, coletadas em Petrolina-PE, verifica-se a presença de sete componentes, com destaque para o sesquiterpeno óxido de cariofileno (13,61%).

Considerando que o perfil cromatográfico do óleo essencial das cascas de S. terebinthifolius, se caracteriza pela presença de compostos com comprovada importância terapêutica, reforça-se a necessidade de estudos mais detalhados que confirmem suas propriedades biológicas.

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CAPÍTULO 6

DESENVOLVIMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE BEBIDA LIOFILIZADA A BASE DE SEMENTES DE GIRASSOL

DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF FREEZE-DRIED BEVERAGE BASED SUNFLOWER SEEDS

DOI: https://doi.org/10.56001/22.9786500495669.06

Submetido em: 15/03/2024

Revisado em: 05/04/2024

Publicado em: 14/04/2024

Veridiana de Almeida Flores de Oliveira

Universidade Estadual de Maringá, Departamento de Ciências Básicas da Saúde, Maringá-PR

http://lattes.cnpq.br/3027227842747506

Caroline Wolf Trentini Schipfer

Universidade Estadual de Maringá, Departamento de Ciências Agrárias, Maringá-PR

http://lattes.cnpq.br/7930509783175055

Elienae da Silva Gomes

Universidade Estadual de Maringá, Departamento de Química, Maringá-PR

https://lattes.cnpq.br/6980093890614715

Fernanda Francielle de Castro

Universidade Estadual de Maringá, Departamento de Ciências Agrárias, Maringá-PR

http://lattes.cnpq.br/8575281855435673

Tayane Siqueira Garcia Alves

Universidade Estadual de Maringá, Departamento de Engenharia de Alimentos, Maringá-PR

https://lattes.cnpq.br/4461127559030397

Natallya Marques da Silva

Universidade Estadual de Maringá, Departamento de Ciências Agrárias, Maringá-PR http://lattes.cnpq.br/6906579006675088

Carmen Torres Guedes

Universidade Estadual de Maringá, Departamento de engenharia de alimentos,

Maringá-PR

http://lattes.cnpq.br/4976109407162563

Amanda Tatiane Correa pereira dos santos

Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Departamento de Tecnologia de Alimentos, Londrina-PR

http://lattes.cnpq.br/7961479018987770

Naeli Cristina Lavareno

Universidade Estadual de Maringá, Departamento de Engenharia de Alimentos, Maringá-PR

http://lattes.cnpq.br/6486766564838159

Ketlyn Duarte Costa

Universidade Estadual de Maringá, Departamento de Engenharia de Alimentos, Maringá-PR

https://lattes.cnpq.br/1279947420355400

Resumo

A crescente demanda por alimentos práticos e nutritivos tem estimulado o interesse em bebidas vegetais, com destaque para o desenvolvimento de produtos em pó. Este estudo avaliou métodos de secagem para extratos aquosos de sementes de girassol, visando obter um pó adequado para bebidas, utilizando técnicas de liofilização. Inicialmente, foi determinada a composição proximal das sementes de girassol in natura e estabelecida a proporção ideal de semente: água para a produção do extrato líquido, que foi de 1:1,75. A secagem por atomização como teste inicial não se mostrou eficaz devido à aderência significativa do extrato seco nas paredes do spray drier, mesmo com encapsulação com farinha de banana. A técnica de liofilização aplicada ao extrato aquoso nas concentrações (1:1,75), resultando em um pó com rendimento de aproximadamente 0,33 g/ml. A composição proximal do pó liofilizado revelou 34,7% de lipídeos, 18% de proteínas, 3,0% de cinzas, 6,9% de umidade e atividade de água (Aw) de 0,62. O produto demonstrou alta solubilidade (99%) e uma capacidade de formação de espuma de 16%. Os resultados indicam que a liofilização é uma técnica viável para a produção de bebidas vegetais em pó à base de sementes de girassol, proporcionando um produto com características desejáveis para o mercado de alimentos funcionais e práticos.Parte superior do formulárioParte inferior do formulário

Palavras-Chave: bebida vegetal, extrato hidrossolúvel, planta, secagem

Abstract

The growing demand for practical and nutritious foods has heightened interest in plant-based beverages, particularly in the development of powdered products. This study evaluated drying methods for aqueous extracts of sunflower seeds with the aim of producing a suitable powder for beverages, utilizing freeze-drying techniques. Initially, the proximate composition of raw sunflower seeds was determined, and the optimal seed-to-water ratio for the production of the liquid extract was established at 1:1.75. Atomization drying, tested initially, proved ineffective due to significant adherence of the dried extract to the walls of the spray dryer, despite encapsulation with banana flour.The freeze-drying technique applied to the aqueous extract at a ratio of 1:1.75 yielded a powder with a yield of approximately 0.33 g/ml. The proximate composition of the freeze-dried powder revealed 34.7% lipids, 18% proteins, 3.0% ash, 6.9% moisture, and a water activity (Aw) of 0.62. The product exhibited high solubility (99%) and a foam formation capacity of 16%. These results indicate that freeze-drying is a viable technique for producing plant-based beverage powders from sunflower seeds, offering a product with desirable characteristics for the functional and practical food market.

Keywords: Plant-based beverage, water-soluble extract, plant, drying.

Introdução

O girassol (figura 1) é botanicamente classificado como Helianthus annuus, caracterizando-se por uma gramínea de grande porte, cultivada em todo o mundo que apresenta curto período de desenvolvimento. É uma planta com grande flor de inflorescência circular amarela, com aquênios que se desenvolvem em sementes maduras, voltadas para os raios do sol, apresenta raiz longa, hastes peludas, folhas largas, dentadas grosseiramente e ásperas (ADELEKE; BABALOLA, 2020).

Figura 1: Partes vegetativas e reprodutivas do girassol, planta, folhas, flor e sementes.

Fonte: Canva Pro Registered Design, 2024.

As sementes de girassol podem ser processadas de várias formas, como farinha, torradas, assadas e cozidas, e são uma rica fonte de nutrientes, com destaque para fibras alimentares e ácidos graxos poli-insaturados, que ajudam na prevenção de doenças (GRASSO et al., 2019). Com o aumento da demanda por alimentos práticos e funcionais devido ao estilo de vida acelerado, o mercado tem se voltado para o desenvolvimento de produtos desidratados, incluindo bebidas vegetais. Esses produtos atendem à crescente procura por opções saudáveis e alternativas ao leite, especialmente para aqueles com intolerância à lactose ou dieta vegetariana e vegana (PEREIRA, 2020).

O uso de produtos em pó liofilizados tem se expandido devido à sua praticidade na preparação e manuseio (CONCEIÇÃO et al., 2016). Além disso, o aumento do consumo de sementes de girassol, ricas em ácido oleico e linoleico, reflete seu valor como ingrediente funcional e matéria-prima (FORTUNE BUSINESS INSIGHTS, 2022). Portanto, este estudo visa investigar a secagem por liofilização para a produção de uma bebida de semente de girassol.

Metodologia

As sementes de girassol com pele usadas neste estudo foram adquiridas em comércio local da cidade de Londrina (PR) e eram provenientes de um único lote. Foram armazenadas em embalagens de polietileno transparente a temperatura ambiente, no laboratório de Panificação A001 do departamento de Tecnologia de Alimentos (PPGTAL) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, até o momento das análises. A farinha de banana, também foi adquirida no comércio local. Todos os reagentes e soluções listados abaixo apresentados apresentavam padrão analítico. O experimento foi realizado no Laboratório A001 de Panificação, A003 de Tecnologia de Carnes, B302 Laboratório de Química e Laboratório Multiusuário, todos no câmpus Londrina da UTFPR.

• Estudo inicial de secagem

Neste estudo, foram empregados dois métodos de secagem para a obtenção do extrato de sementes de girassol. O primeiro método foi a atomização, que pulveriza o produto líquido em um fluxo de ar quente, promovendo a evaporação da água e a formação de um pó seco (SOUZA et al., 2013). O segundo método foi a liofilização, que remove a água dos produtos congelados por sublimação (RIBEIRO, 2012).

Para determinar a melhor proporção de sementes para água na obtenção do extrato hidrossolúvel, foram realizados testes com as proporções 1:2,5, 1:2,0 e 1:1,75. Em cada caso, 100 gramas de sementes foram misturadas com água na proporção definida, trituradas em liquidificador, filtradas com tamiz mesh 150 (106 micrômetros), e homogeneizadas com Dispersor Ultra Turrax (10.000 rpm por 5 minutos). O extrato seco foi determinado seguindo a metodologia do Instituto Adolfo Lutz (IAL, 2008).

A partir da melhor proporção identificada, foi produzido o pó por atomização. Para o teste TS1, foram ajustados parâmetros como bico atomizador (1,3 mm), vazão de ar de secagem (0,67 m³/min e 1,95 m³/min), e temperatura de entrada (150ºC e 160ºC), com a temperatura de saída variando entre 100ºC e 130ºC. No teste TS2, foi incorporada farinha de banana verde (20% do extrato seco) para melhorar o processo. A mistura foi homogeneizada e a atomização conduzida com os parâmetros ajustados. O pó foi coletado em um recipiente hermético e armazenado a 20ºC.

Para a liofilização, usou-se a proporção 1:1,75. As sementes foram trituradas, refinadas por filtração em peneira mesh 150 (106 micrômetros), e o extrato foi seco a 60ºC por 24 horas para determinar o extrato seco. Após o congelamento do extrato em placas de Petri, as amostras foram liofilizadas a -62ºC e vácuo de 0,60 por 7 dias. O produto liofilizado foi acondicionado em embalagem hermética e armazenado a 20ºC. O rendimento do processo foi calculado com base na massa/volume do extrato.

• Caracterização e reconstituição do extrato hidrossolúvel de semente de girassol liofilizado

As análises de composição proximal do extrato hidrossolúvel liofilizado foram realizadas em triplicada com base na metodologia de Instituto Adolfo Lutz (IAL, 2008). Ainda para a reconstituição do produto liofilizado foi elaborado um extrato na concentração (1:1.75) e determinado o extrato seco. Para avaliação da atividade de água foi utilizado equipamento AquaLab 4TE marca (Meter Group). As análises foram realizadas em triplicada com aproximadamente 1 grama de amostra. Para a determinação da capacidade de formação de espuma, foi utilizada a metodologia de acordo com Murate (1995). Pesou-se 1,5 gramas da amostra liofilizada em triplicada, adicionando 50 ml de água estéril e em seguida foi homogeneizada com agitação Ultra Turrax, 10.000 rpm por 1 minuto. Após essa etapa, foi observada durante 1 minuto, a estabilidade da espuma. Com base nos valores de volume inicial e final, o valor de percentual de aumento de volume foi calculado.

Para a determinação de solubilidade foi utilizado a metodologia sugerida por Vissoto et al. (2006) com adaptações. Pesou-se 22 gramas do produto liofilizado em béquer de 600 ml e adicionado 100 ml de água destilada a 25ºC. Em seguida para total homogeneização foi utilizado agitação com mixer durante 2 minutos. A solução homogeneizada foi filtrada em peneira com abertura de 30 mesh. Os sólidos retidos na peneira de cada amostra foram pesados em cadinhos e levados a estufa a 60º C durante 24 horas. A solubilidade foi determinada pelo índice de retenção (IR) que é a relação entre a massa solúvel e insolúvel.

Resultados e Discussão

• Estudos preliminares

Nos testes (TS1) e (TSB2) foram testados dois parâmetros e concentrações de secagem em spray drier. Das três concentrações avaliadas inicialmente conforme a tabela 3, duas foi testada para secagem de acordo com teor de sólidos e parâmetros de secagem do equipamento como mostra a quadro 1.

Quadro 1-Parâmetros de secagem aplicados para obtenção de extrato em pó de semente de girassol em spray

*TS1 (sem farinha de banana); *TSB2 (com e sem farinha de banana) *C- Concentração; *TE-Temperatura de entrada; *TS – Temperatura de saída; *VS-Vazão de saída; *BA-Bico Atomizador; *VA-Vazão de Ar. 

O rendimento de secagem em spray drier depende primeiramente da concentração da solução original. Neste estudo para o teste (TS1) a solução original apresentava 18% de concentração. O extrato aquoso de semente de girassol foi atomizado, contudo o pó não obteve rendimento significativo e grande parte da amostra ficou retida no equipamento. Ao final do processo o rendimento foi de 2,93%. Em função do resultado do teste (TS1), foi proposto como solução o emprego de um material que encapsulasse as partículas do extrato, reduzindo sua adesão e proporcionando maior rendimento. Acredita-se que a adesão das partículas nas paredes do spray dryer se deu por causa do alto conteúdo de lipídios presente na semente de girassol. Dentro das possibilidades que poderiam ser empregadas, foi escolhida a farinha de banana, devido seu caráter funcional, a fim de manter a proposta do produto dentro do nicho mais natural, pois amidos resistentes e alguns carboidratos podem contribuir para melhorar a retenção e a solubilidade do óleo durante a secagem (CARNEIRO et al., 2013). Portanto a aplicação da farinha de banana para a proposta do produto é cabível. 47 No teste (TSB2) a solução original apresentava 25% de concentração, onde foi incorporada a farinha de banana. Em 200 ml de extrato hidrossolúvel de sementes de girassol foi adicionado 20 gramas de farinha de banana. Ao final da secagem, obtiveram-se respectivamente rendimentos de 0,5% e 1,45% para solução incorporada com farinha de banana e solução sem farinha de banana. Nota-se que a adição de farinha de banana não melhorou o rendimento do pó se comparado ao teste (TS1) e (TSB2) sem sua adição. Foi observado que houve a secagem, contudo em ambos os ensaios grande parte do material seco ficou aderida as paredes do equipamento, na câmara de secagem. Tal material apresentava aspecto bastante oleoso como mostra a figura 2.

Figura 2– Aderência da solução de extrato de girassol e farinha de banana.

Fonte: Própria autoria, 2022.

Esta ineficiência no processo pode estar relacionada a parâmetros de secagem aplicados. Segundo Muzaffar et al., (2018) matérias primas de base vegetal podem apresentar algumas limitações tecnológicas que estão ligadas às propriedades higroscópicas e termoplásticas ou seja, a capacidade do produto aderir nas paredes do secador, reduzindo a eficiência de secagem, o rendimento e um pó estável. Os testes (TS1) e (TSB2) em secagem por spray drier não apresentaram resultados satisfatórios para secagem da solução hidrossolúvel de girassol dentro dos parâmetros e possibilidades definidas. Ao invés disso, optou-se por mudar a tecnologia de secagem e realizar testes com a liofilização.

• Secagem por liofilização

Foi utilizado um extrato hidrossolúvel com concentração de 25%. Os parâmetros utilizados para obter o extrato seco utilizando a técnica de liofilização são descritos no quadro 2.

Quadro 2– Parâmetros de secagem aplicados para obtenção de extrato em pó de semente de girassol em liofilizador.

Fonte: Autoria, 2022.

Para obtenção do pó por liofilização não foram testadas novas concentrações do extrato hidrossolúvel, pois a proporção (1:1,75), apresentou uma quantidade significativa de sólidos. Devido o método não apresentar os problemas de aderência e baixo rendimento como constatado nos testes com spray drier, não foi incorporada na solução farinha de banana. Ao final do processo o extrato hidrossolúvel apresentou rendimento de 0,33 g/ ml, por esta razão foi definido como método de secagem para este experimento. Na figura 3 é possível observar as características visuais do produto após a secagem por liofilização.

Figura 3– Aspecto visual do extrato hidrossolúvel de semente de girassol liofilizado.

Fonte: Própria autoria, 2022.

• Composição físico-química do extrato hidrossolúvel de semente de girassol liofilizado

Os resultados da composição físico-química do extrato hidrossolúvel em pó são apresentados na tabela 4. Também foi determinada a atividade de água que apresentou resultado ao final de 0,62. A Aw ideal para leite em pó é de 0,70 para que produto não seja deteriorado por microrganismos (FDA, 2014). 49 De acordo com Ribeiro e Seravalli (2007) os alimentos podem ser classificados de acordo com a atividade de água em baixa umidade até 0,60, umidade intermediária 0,60 e 0,90 e alta umidade acima de 0,90. Portanto neste estudo o produto está classificado como umidade intermediária. O valor encontrado é interessante para controle de reações químicas enzimáticas, aspectos sensoriais e microbiológicos, contudo se o alimento for vulnerável a rancidez oxidativa os valores de atividade de água não devem ter uma redução muito grande, pois as reações acontecerão com maior rapidez. (RIBEIRO; SERAVALLI, 2007).

Tabela 1-Características físico-químicas do extrato em pó liofilizado.

Interessante observar que a composição do extrato hidrossolúvel em pó de semente de girassol obtido apresenta valores de cinzas, proteínas e lipídeos semelhantes aos do grão original. Foi possível observar que ao final obteve um produto que manteve o percentual de composição muito semelhante ao da matéria prima, apresentando valores muito próximos para a maioria dos nutrientes e da umidade. Isso não indica, entretanto que todos esses componentes foram integralmente extraídos dos grãos. Embora se trate de um extrato em pó e haja diferença de afinidade dos seus constituintes com a água (EMBRAPA, 1994). O teor de umidade é o fator mais importante para a prevenção da qualidade de um alimento e sua estabilidade frente ao armazenamento. Demonstra também a eficiência do processo de liofilização em retirar água do processo, obtendo um produto final seco de fácil conservação, menor volume e menor peso para armazenamento, embalagem e transporte (MUNDER; ARGYROPOULOS; MÜLLER, 2017).

• Capacidade espumante

            Na figura 4 é possível observar as amostras do teste de capacidade de espuma. Estes foram adaptados ao tempo de controle para estabilidade em 2 minutos a fim de avaliar se haveria alguma alteração, contudo, ambos os testes não apresentaram diminuição no volume inicialmente formado. O extrato apresentou uma capacidade de formação de espuma de 16%, esse resultado está abaixo do obtido por Murate (1995) em seu estudo com concentrado protéico de sementes de girassol em diferentes temperaturas, obteve 17 e 24% de formação de espuma. A qualidade de um produto está associada à composição, sua propriedade funcional e nutricional, sendo que a propriedade tecnológica influencia no comportamento das proteínas, e uma dessas alterações está relacionada na formação da espuma. Além do aspecto tecnológico, a espuma possui um grande apelo visual e sensorial se tornando mais atraente para consumidor (BERTUCCI et al., 2020).

De acordo Deotale et al (2020) a espuma é uma característica importante sensorialmente desejável pelo consumidor, além de ser vista como um atributo que melhora a aceitabilidade e o corpo da bebida. É possível observar na (figura 10) que a formação de espuma no extrato proporcionou um aspecto visual interessante simulando a bebida pronta para consumo.

Figura 4– Formação de espuma em amostras de extrato hidrossolúvel de girassol.

Fonte: Própria autoria, 2022.

Os valores de solubilidade foram superiores a 99%, indicando que a retenção é bastante baixa, já que a solubilidade do extrato liofilizado em pó foi quase total. No estudo de Vissoto et al. (2006) com achocolatados em pó, foi obtida uma solubilidade acima de 99%, mas foi necessário um processo adicional com a incorporação de lecitina para melhorar a eficiência da solubilidade. Oliveira e Virginio (2018) analisaram a solubilidade de extratos liofilizados de dois tipos de arroz (branco e vermelho), e ambos apresentaram valores acima de 99% de solubilidade. A alta solubilidade era esperada, dado que apenas a água foi utilizada como solvente. De maneira geral, os resultados deste estudo mostram que o processo de obtenção do extrato de sementes de girassol e a eficiência da etapa de filtração foram adequados, evitando a incorporação de compostos pouco solúveis e frações mais grosseiras do produto. De acordo com Felix (2016), a solubilidade é um atributo importante para a indústria de alimentos e é altamente valorizada pelos consumidores, pois produtos com alta solubilidade se reconstituem rapidamente e de forma homogênea, sem a presença de partículas suspensas ou depósitos no fundo como mostra a figura 5.

Figura 5– Aspecto visual do produto reconstituído.

Fonte: Própria autoria, 2022.

Conclusão

Com base nos resultados obtidos em relação à composição proximal e às propriedades tecnológicas do extrato em pó, pode-se concluir que o método de secagem por liofilização foi mais eficiente, proporcionando um rendimento superior do produto. Devido às suas características, o extrato apresenta um potencial significativo para comercialização, desde que sejam realizadas análises adicionais de estabilidade e testes sensoriais, com ênfase na aparência, que é um dos principais fatores para a aceitação do produto no mercado. Além disso, considerando a alta concentração de lipídeos e a atividade de água do extrato, é recomendável avaliar diferentes tipos de embalagem que assegurem a preservação da qualidade do produto durante o armazenamento, prevenindo possíveis degradações.

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CAPÍTULO 7

OMISSÃO DE MACRONUTRIENTES SECUNDÁRIOS EM PLANTAS DE SORGO

OMISSION OF SECONDARY MACRONUTRIENTS IN SORGHUM PLANTS

DOI: https://doi.org/10.56001/22.9786500495669.07

Submetido em: 30/11/2024

Revisado em: 14/12/2024

Publicado em: 18/12/2024

Sandra Morais dos Reis

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Rondônia, Campus Colorado do Oeste- RO

 http://lattes.cnpq.br/8870413835211577

Stella Cristiani Gonçalves Matoso

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Rondônia, Campus Colorado do Oeste- RO

http://lattes.cnpq.br/1171198044514295

Evellyn Danyla Guilherme Barbosa

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Rondônia, Campus Colorado do Oeste- RO

http://lattes.cnpq.br/697259943534875527

Rafael Horbuch Neto

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Rondônia Câmpus Colorado do Oeste- RO

http://lattes.cnpq.br/697259943534875527

Resumo

O cultivo da cultura do sorgo (Sorghum bicolor (L.) Moench) vem aumentando ao longo dos anos, devido ao aumento do seu potencial produtivo e elevada resistência ao déficit hídrico. Nesse sentido, o aspecto nutricional é um fator decisivo para o sucesso da cultura. O presente trabalho objetivou avaliar os sintomas típicos e individualizados da deficiência nutricional de macronutrientes secundários (Ca, Mg e S) na cultura do sorgo cultivado em solução nutritiva. O experimento foi conduzido em casa de vegetação no Instituto Federal de Rondônia, Campus Colorado do Oeste, utilizando-se a cultivar BM Podium como planta teste. O experimento seguiu um delineamento experimental inteiramente casualizado (DIC), com quatro tratamentos e cinco repetições, totalizando 20 parcelas. Os tratamentos consistiram em solução nutritiva completa, solução com omissão de Ca, solução com omissão de Mg e solução com omissão de S. A unidade experimental consistiu em um vaso tipo Leonard adaptado. O experimento foi conduzido até os 30 dias após a emergência das plantas. A partir de dados normais, foi realizado o teste F, ao nível de 5% de probabilidade. A omissão dos macronutrientes secundários não afeta a massa seca da parte aérea, da raiz e da planta inteira de sorgo. Mesmo sem diferença estatística nas variáveis relacionadas ao crescimento das plantas, é possível observar sintomas visuais típicos da deficiência de Ca, Mg e S no sorgo. Estes sintomas estão relacionados com as funções dos elementos nas plantas.

Palavras-Chave: deficiência nutricional, sintomas visuais, solução nutritiva, Sorghum bicolor.

Abstract

The cultivation of sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) has been increasing over the years, due to its increased production potential and high resistance to water deficit. In this sense, the nutritional aspect is a decisive factor for the success of the crop. The present study aimed to evaluate the typical and individualized symptoms of nutritional deficiency of secondary macronutrients (Ca, Mg and S) in sorghum cultivated in nutrient solution. The experiment was conducted in a greenhouse at the Instituto Federal de Rondônia, Campus Colorado do Oeste, using the cultivar BM Podium as the test plant. The experiment followed a completely randomized experimental design (DIC), with four treatments and five replicates, totaling 20 plots. The treatments consisted of complete nutrient solution, solution with Ca omission, solution with Mg omission and solution with S omission. The experimental unit consisted of an adapted Leonard type pot. The experiment was conducted until 30 days after plant emergence. From normal data, the F test was performed at a 5% probability level. The omission of secondary macronutrients does not affect the dry mass of the aerial part, root or whole plant of sorghum. Even without statistical difference in the variables related to plant growth, it is possible to observe visual symptoms typical of Ca, Mg and S deficiency in sorghum. These symptoms are related to the functions of the elements in the plants.

Keywords: nutritional deficiency, visual symptoms, nutrient solution, Sorghum bicolor.

Introdução

            A cultura do sorgo é cultivada em áreas e situações ambientais muito secas e/ou muito quentes, onde a produtividade de outros cereais é antieconômica (Maneira, 2020). Embora de origem tropical, o sorgo vem sendo cultivado em latitudes de até 45º norte ou 45º sul, e isso só foi possível graças aos trabalhos dos melhoristas de plantas, que desenvolveram cultivares com adaptação fora da zona tropical (Ruas et al., 2024).

Dentre as espécies alimentares, o sorgo é uma das mais versáteis e mais eficientes, tanto do ponto de vista fotossintético, como em velocidade de maturação. Sua reconhecida versatilidade se estende desde o uso de seus grãos como alimento humano e animal; como matéria-prima para produção de álcool anidro, bebidas alcoólicas, colas e tintas; o uso de suas panículas para produção de vassouras; extração de açúcar de seus colmos e até as inúmeras aplicações de sua forragem na nutrição de ruminantes (Maneira, 2020; Ribas, 2003).

O sorgo vem sendo cultivado no Cerrado brasileiro, principalmente na entressafra, entre os meses de fevereiro a junho, período no qual a precipitação é reduzida, o que favorece o desenvolvimento e produção da cultura, visto que para o seu desenvolvimento, são suficientes uma faixa de 375 a 620 mm (Heckler, 2001).

Devido a cultura do sorgo ser instalada após os cultivos da safra principal, geralmente soja ou milho, a cultura tende a utilizar os nutrientes da adubação residual da cultura principal e da matéria orgânica, apesar de ser responsiva à adubação (Resende et al., 2009). Entretanto é válido salientar que a falta de adubação específica para a cultura, associada a baixa precipitação da safrinha acarreta riscos de deficiência nutricional para as plantas.

Os nutrientes têm funções essenciais e específicas no metabolismo das plantas. Dessa forma, quando um dos nutrientes essenciais não está presente em quantidades satisfatórias ou em condições que o tornam pouco disponível, a sua deficiência nas células promove alterações no seu metabolismo. Os sintomas de carências minerais são mais ou menos características para cada nutriente, dependendo também da severidade, da cultivar e de fatores ambientais (Fasabi et al., 1993).

O diagnóstico visual de deficiências minerais e análise de solo, e suas interpretações juntamente com o conhecimento dos teores de nutrientes, podem auxiliar nas avaliações e necessidades de fertilizantes e corretivos para a espécie em questão.  (Fernandes et al., 2018). A técnica de cultivo de plantas em solução nutritiva tem permitido avanços no conhecimento da nutrição de plantas por controlar mais adequadamente a composição do meio e eliminar a heterogeneidade e complexidade do solo (Kerbauy, 2019; Taiz et al., 2024)).

Assim, o presente trabalho objetivou avaliar os efeitos típicos e individualizados da deficiência nutricional de Ca, Mg e S na cultura do sorgo cultivado em solução nutritiva mediante a observação dos efeitos da omissão de nutrientes no desenvolvimento das plantas.

Metodologia

O experimento foi conduzido em casa de vegetação no Campus Colorado do Oeste do Instituto Federal de Rondônia, situado no município de Colorado do Oeste, no período de 10 de outubro a 7 de novembro de 2022.  Foi utilizado delineamento experimental inteiramente casualizado, com quatro tratamentos e cinco repetições.

Os tratamentos foram: solução completa (testemunha), solução com omissão de Ca, solução com omissão de Mg e solução com omissão de S. A unidade experimental foi composta por um vaso com uma a três plantas de sorgo, não sendo realizado desbaste das plântulas após germinação das sementes.

Para a confecção e modificação dos vasos Leonard, foram utilizadas garrafas de polietileno com volume de 2 L, as quais foram cortadas a uma altura de 15 cm a partir da base de acordo com metodologia de Ferreira (2012) e Santos et al. (2009). Foram feitos três furos nas tampas para permitir a entrada da solução.

Ambas as partes das garrafas e as tampas foram esterilizadas em solução de hipoclorito de sódio por cerca de 1 h. Após esse período, o material foi colocado para secar e pintado com tinta spray preto fosco.

Para cada vaso, adicionou-se o substrato, o qual era composto de areia peneirada e vermiculita, na proporção de 3:1. A capacidade de campo foi determinada através da diferença de massa do substrato seco pelo substrato úmido, conforme metodologia de Teixeira et al. (2017). Foram semeadas três sementes em cada vaso no dia 10 de outubro e, em seguida, as soluções foram adicionadas nos vasos.

Os compostos utilizados para produção da solução nutritiva e suas concentrações são expressos na Tabela 01.

Tabela 1. Concentração dos compostos utilizados na preparação das soluções completas e com omissão de Ca, Mg e S em mL/L.

Observação: o pH das soluções nutritivas foi ajustado para o intervalo de 5,5 a 5,8.

Para o preparo da solução nutritiva utilizou-se água destilada para evitar contaminação de íons presentes na água comum, a solução foi adicionada aos vasos e resposta com água destilada à medida que o nível diminuía, a fim de evitar a morte das plantas. A solução foi substituída totalmente 15 e 26 dias após o plantio.

Ao término da condução do experimento, que se deu 30 dias após a emergência das plantas, as plantas foram encaminhadas para o laboratório de solos, onde foram fotografadas, lavadas e separadas em parte aérea e raízes. Em seguida, o material foi seco em estufa de ventilação forçada a 65 °C até a massa constante, obtendo-se a massa da parte aérea seca (MPAS), massa da raiz seca (MRS) e, pela soma, a massa total da planta seca (MTPS).

As análises de massa seca foram realizadas, no total, em 42 plantas, onde a quantidade de planta variou de um a três por vaso, uma vez que não se realizou o desbaste após a emergência. Para a correção do valor de massa seca efetuou-se a divisão do valor de massa seca pela quantidade de plantas por vaso.

A análise estatística iniciou-se com a verificação dos pressupostos da análise de variância, pelo teste de Bartlett e de Shapiro-Wilk. A partir de dados normais, realizou-se a análise de variância pelo teste F.

Resultados e Discussão

Não foi verificada diferença (p > 0,05) na biomassa das plantas submetidas aos diferentes tratamentos (Tabela 2). Esses resultados podem ser explicados pelo fato de que os macronutrientes avaliados são requeridos em menor quantidade pela planta em comparação aos primários (Instituto Fosfata & Potasso, 1998). Associado a isto tem-se, o curto período ao qual o experimento foi realizado, o que faz com que a falta destes nutrientes pudesse ter sido suprida pela reserva cotiledonar dos macronutrientes avaliados e amenizando seus efeitos nos parâmetros estatísticos avaliados (Tabela 2).

Tabela 2: Produtividade de massa da parte aérea seca (MPAS), massa da raiz seca (MRS) e massa total da Planta seca (MTPS) sob omissão de diferentes macronutrientes secundários.

Médias seguidas de mesma letra nas colunas não diferem entre si pelo teste F ao nível de 5% de probabilidade.

No entanto, mesmo sem efeito significativo nas variáveis quantitativas, foram observados sintomas visuais da omissão de macronutrientes secundários, que podem ser observados na Figura 1. Foi possível correlacionar os sintomas visuais observados com as funções e comportamento bioquímico dos elementos nas plantas.

Figura 1: Sintomas visuais da deficiência de Ca (a) e (d), Mg (b) e (e) e S (c) e (f) em plantas de sorgo cultivadas em solução nutritiva.

Foto: Glauber Bedini de Jesus.

O Ca faz parte das paredes celulares e está envolvido na formação do fuso mitótico que orienta a deposição da lamela média, além de fazer parte da própria lamela média como pectato de cálcio (Paulino et al., 2015). Admite-se que o Ca seja indispensável para a manutenção da estrutura e o funcionamento normal das membranas celulares, pois a permeabilidade das membranas a compostos hidrofílicos depende consideravelmente da concentração de Ca²⁺ e de H⁺ no meio (Taiz et al., 2024). Este elemento participa ainda da regulação osmótica, fechamento dos estômatos e neutralização de ácidos no citosol (Kerbauy, 2019; Taiz et al., 2024).

Após assimilado o Ca possui baixa mobilidade nas plantas, por ser praticamente imóvel no floema, assim os sintomas de carência deste elemento são observados primeiramente em órgãos e partes mais novas: gemas e pontas das raízes (Carvalho; Moreira, 2023). Na Figura 1(d), encontra-se a comparação de folhas novas do tratamento com solução completa e da solução com omissão de Ca. Verificou-se diminuição do tamanho das folhas mais jovens e amarelecimento e deformação dos ápices foliares, o que pode ser explicado pela baixa mobilidade desse nutriente na planta, impedindo que o Ca das folhas mais velhas seja remobilizado para as mais novas, e devido a omissão acomete tanto a alongação quanto a divisão celular (Fernandes et al., 2018).

Nota-se que com a omissão de Mg a parte aérea teve um crescimento foliar menor, comparando-se visualmente com a testemunha (solução completa). Além disso, ocorreu amarelecimento do limbo foliar e início de clorose nas folhas velhas (Figura 1(b) e 1(e)).

Estes sintomas podem ser explicados pela alta mobilidade do Mg no floema, que é remobilizado com facilidade das folhas mais velhas para as folhas mais novas (Fernandes et al., 2018; Taiz et al., 2024). Ademais, o Mg é um dos principais componentes da molécula de clorofila e participa de uma série de processos vitais da planta que requerem e fornecem energia como a fotossíntese, respiração, síntese de macromoléculas – carboidratos, lipídeos, proteínas – e absorção iônica, portanto, em situação de carência de Mg, a planta vai responder  na  paralisação de crescimento, baixo desenvolvimento radicular e manchas amareladas nas folhas (Kerbauy, 2019; Paulino et al., 2015; Taiz et al., 2024). O início da clorose internerval, sintoma típico das folhas de plantas deficientes em Mg pode ser  observado na Figura 1(e), na folha no parte inferior da foto.

Os sintomas observados nas plantas submetidas a omissão de S estão de acordo com os descritos por Kerbauy (2019), que apontam que o S reduz o crescimento da parte aérea e da área foliar, além de clorose acentuada que ocorre devido a redução de clorofila na planta. O S participa da estrutura dos aminoácidos cisteína e metionina constituintes de várias proteínas, que interfere na produção de complexos clorofila-proteínas estáveis que ligam as moléculas de clorofila nas membranas do cloroplasto, resultando em clorose nas folhas inclusive nos tecidos em volta dos feixes vasculares (Paulino et al., 2015; Taiz et al., 2024).

O sulfato é transportado das raízes para a parte aérea via xilema; o movimento do S no sentido contrário é muito pequeno, ou seja, o elemento é pouco redistribuído na planta. Por isso, sob condições de carência, a deficiência de S ocorre nos órgãos mais novos, como as folhas mais novas (Kerbauy 2019; Taiz et al., 2024). 30 dias após a emergência das plantas foi possível verificar o início destes sintomas, caracterizados por caules com menor diâmetro, folhas com coloração verde-clara e verde-amarelada, e plantas que apresentaram tamanho menor quando comparadas às testemunhas (Figura 1(c) e 1(f).

Considerações Finais

A omissão de macronutrientes Ca, Mg e S não apresenta diferenças significativas entre si para a análise de massa da parte aérea, raiz e planta inteira seca de sorgo (Sorghum bicolor (L.) Moench) cultivado por trinta dias em cultivo semi-hidropônico. As análises visuais demonstraram sintomas característicos da deficiência de macronutrientes.

A literatura nos mostra que a reserva cotiledonar pode suprir as necessidades da planta até 35 dias após a emergência, fazendo com que tanto os sintomas, quanto a falta de nutrientes, sejam mais evidentes após este período. Infelizmente o experimento não foi conduzido por maior período devido ao bloqueio da BR435, nas datas de trinta e um de outubro até dezessete de novembro de 2022.

Agradecimentos

Agradecemos a todas as pessoas que colaboraram para a execução do experimento, principalmente à discente Katiane Mota e aos técnicos de laboratório Leandro Dias da Silva, Dham Khlismam, Lizianne de Matos e Vanor Felini, por nos orientar nas atividades laboratoriais. Também ao professor Glauber Bedini de Jesus, por nos auxiliar nas imagens finais do experimento.

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CAPÍTULO 8

SEMENTES SINTÉTICAS: CULTIVANDO O FUTURO COM BIOTECNOLOGIA

SYNTHETIC SEEDS: CULTIVATING THE FUTURE WITH BIOTECHNOLOGY

DOI: https://doi.org/10.56001/22.9786500495669.08

Submetido em: 03/12/2024

Revisado em: 14/12/2024

Publicado em: 18/12/2024

Jordana Caroline Nagel

Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões, Santo Ângelo-RS

http://lattes.cnpq.br/1544914259635851

Resumo

As sementes sintéticas representam uma inovação biotecnológica de grande relevância, com o potencial de revolucionar a propagação e a conservação de espécies vegetais. O presente estudo analisa suas aplicações e desafios, empregando uma abordagem metodológica fundamentada na revisão da literatura existente e em experimentos recentes. A investigação concentra-se na viabilidade técnica e no impacto ambiental dessa tecnologia, com ênfase no encapsulamento de embriões somáticos e microbrotos em matrizes de hidrogel, avaliando diferentes composições e condições de armazenamento. Os resultados obtidos destacam o potencial das sementes sintéticas para uso em espécies agrícolas e florestais, promovendo maior eficiência no transporte e redução de custos. Adicionalmente, apresentam-se como uma solução viável para regiões com recursos limitados. Contudo, desafios persistem, como a necessidade de aprimorar as cápsulas para assegurar altas taxas de germinação e superar barreiras regulatórias. A importância dessa tecnologia no contexto da sustentabilidade agrícola é sublinhada, dada sua contribuição para a segurança alimentar global e para a conservação da biodiversidade. As chamadas “Synseeds” apresentam-se como uma ferramenta promissora para a agricultura do futuro. Apesar dos avanços significativos, seu êxito pleno depende de investimentos contínuos em pesquisa científica, desenvolvimento técnico e políticas públicas que favoreçam sua implementação em diferentes contextos produtivos e escalas.

Palavras-Chave: encapsulamento, germinação, conservação, biotecnologia vegetal, inovação.

Abstract

Synthetic seeds represent a highly relevant biotechnological innovation, with the potential to revolutionize the propagation and conservation of plant species. The present study analyzes its applications and challenges, employing a methodological approach based on a review of existing literature and recent experiments. The investigation focuses on the technical feasibility and environmental impact of this technology, with an emphasis on the encapsulation of somatic embryos and microbuds in hydrogel matrices, evaluating different compositions and storage conditions. The results obtained highlight the potential of synthetic seeds for use in agricultural and forestry species, promoting greater transport efficiency and cost reduction. Additionally, they present themselves as a viable solution for regions with limited resources. However, challenges persist, such as the need to improve capsules to ensure high germination rates and overcome regulatory barriers. The importance of this technology in the context of agricultural sustainability is highlighted, given its contribution to global food security and biodiversity conservation. The so-called “Synseeds” present themselves as a promising tool for agriculture of the future. Despite significant advances, its full success depends on continuous investments in scientific research, technical development and public policies that favor its implementation in different production contexts and scales.

Keywords: encapsulation, germination, conservation, plant biotechnology, innovation.

Introdução

As sementes sintéticas destacam-se como uma inovação de destaque no campo da biotecnologia, com ênfase na capacidade de encapsular embriões somáticos ou outros propágulos vegetativos em matrizes protetoras, garantindo sua viabilidade e funcionalidade. Essa tecnologia apresenta-se como uma alternativa eficiente às sementes convencionais, especialmente diante do aumento global na demanda por alimentos e das pressões ambientais. Segundo Smith et al. (2022), as sementes sintéticas são uma solução tecnológica que combina a preservação de recursos naturais com a otimização de processos produtivos em agricultura e silvicultura. Essa abordagem não apenas melhora a eficiência dos sistemas agrícolas, mas também contribui para a conservação de recursos genéticos, sendo essencial para a segurança alimentar e a redução de impactos ambientais.

O desenvolvimento do conceito de sementes sintéticas está diretamente relacionado aos avanços nas técnicas de cultura in vitro, introduzidas na década de 1980, quando embriões somáticos começaram a ser encapsulados para facilitar sua manipulação e transporte (GEORGE; HALL; DE KLERK, 2008). Desde então, as pesquisas têm progredido no sentido de identificar a composição ideal das matrizes de encapsulamento e de aprimorar os métodos de conservação, adaptando a tecnologia às necessidades específicas de diversas espécies vegetais. Estudos recentes destacam o papel crucial dessas sementes na propagação de culturas com dificuldades de reprodução sexual, como algumas espécies arbóreas e plantas ornamentais (PEREIRA et al., 2023).

A busca por uma agricultura sustentável exige soluções que equilibrem eficiência e respeito ao meio ambiente. Nesse contexto, as sementes sintéticas despontam como uma ferramenta estratégica para reduzir impactos negativos e otimizar recursos. De acordo com Jain e Gupta (2021), a utilização dessa tecnologia pode diminuir significativamente o desperdício de insumos agrícolas e facilitar o transporte de propágulos entre diferentes regiões, reduzindo a necessidade de armazenagem prolongada e minimizando perdas. Essa abordagem é particularmente relevante em países com infraestrutura agrícola limitada, onde pode contribuir para uma maior adaptabilidade a crises climáticas.

Apesar do potencial promissor, as sementes sintéticas ainda enfrentam desafios técnicos que precisam ser solucionados. Entre os principais, destaca-se a necessidade de elevar as taxas de germinação, que podem variar de acordo com a espécie e a qualidade do encapsulamento (MURASHIGE; SKOOG, 1962). Além disso, a padronização dos processos de produção, como a definição da composição química do hidrogel e a formulação de protocolos de armazenamento, exige esforços contínuos em pesquisa para assegurar resultados consistentes e economicamente viáveis (ZHANG et al., 2020).

A adoção de sementes sintéticas pode desempenhar um papel determinante na segurança alimentar global, possibilitando a propagação de culturas em larga escala e ao longo do tempo. Essa tecnologia é especialmente valiosa em regiões vulneráveis às mudanças climáticas, onde a degradação dos solos e a escassez de água comprometem a agricultura tradicional. Conforme a FAO (2021), tecnologias que promovem o uso eficiente de recursos são indispensáveis para atender à crescente demanda por alimentos de uma população global em expansão, e as sementes sintéticas posicionam-se entre as inovações mais relevantes nesse cenário.

Além de seu papel fundamental na produção agrícola, as sementes sintéticas desempenham uma função crucial na conservação de espécies vegetais ameaçadas. Em particular, as técnicas de encapsulamento têm sido aplicadas para preservar embriões somáticos de espécies florestais e medicinais, garantindo sua sobrevivência em condições controladas (THORPE; HARRY, 2020). Essa aplicação está em consonância com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS), que reforçam a importância de proteger a biodiversidade como um dos pilares da segurança ecológica global.

O avanço das sementes sintéticas também suscita reflexões éticas relacionadas ao impacto da biotecnologia sobre o controle de recursos agrícolas e o equilíbrio de poder entre agricultores e grandes corporações. Como argumenta Shiva (2016), o domínio excessivo de tecnologias agrícolas por empresas privadas pode gerar dependência e desigualdades, especialmente nos países em desenvolvimento. Dessa forma, debates sobre a democratização do acesso a essa tecnologia tornam-se indispensáveis para assegurar que seus benefícios sejam distribuídos de maneira ampla e equitativa.

A implementação em larga escala das sementes sintéticas depende de políticas públicas que incentivem sua produção e uso responsável. De acordo com Carvalho e Silva (2022), é necessário que a regulamentação estabeleça padrões claros de qualidade e segurança, ao mesmo tempo em que promova incentivos econômicos para produtores que incorporem essa inovação em sistemas agrícolas sustentáveis. Colaborações entre instituições públicas e privadas são igualmente fundamentais para expandir o alcance e o impacto das sementes sintéticas na agricultura global.

Com os avanços científicos, espera-se que as sementes sintéticas se tornem mais acessíveis e eficientes, ampliando sua utilização para culturas atualmente pouco exploradas. Pesquisas envolvendo nanotecnologia e inteligência artificial já estão sendo integradas ao seu desenvolvimento, oferecendo maior precisão no encapsulamento e controle aprimorado das condições ambientais (LIU et al., 2023). Essas inovações prometem transformar a agricultura, tornando-a mais adaptável às mudanças e menos dependente de recursos naturais escassos.

As sementes sintéticas emergem como uma solução biotecnológica de grande relevância para enfrentar desafios globais em agricultura e conservação ambiental. Embora ainda existam barreiras tecnológicas e dilemas éticos a serem superados, os avanços no setor indicam um potencial significativo para redefinir práticas agrícolas e estratégias de preservação. Para que essa inovação contribua efetivamente para um futuro sustentável, é imprescindível a colaboração entre a comunidade científica, formuladores de políticas públicas e agricultores, unindo esforços para maximizar os benefícios dessa tecnologia.

Metodologia

Este estudo seguiu uma abordagem qualitativa, com o objetivo de analisar os avanços na tecnologia de sementes sintéticas, avaliando sua aplicabilidade e impacto nos contextos agrícola e ambiental. A metodologia baseou-se em uma revisão sistemática da literatura, abrangendo artigos publicados entre 2015 e 2023 em bases científicas reconhecidas, como Scopus, Web of Science e SciELO. Essa estratégia permitiu a obtenção de um panorama atualizado e relevante sobre o tema, integrando resultados teóricos e práticos, além de identificar lacunas e tendências na aplicação da biotecnologia para a produção de sementes sintéticas.

Os critérios de inclusão foram estabelecidos para selecionar estudos que abordassem aspectos técnicos, viabilidade e impactos ambientais das sementes sintéticas, bem como suas aplicações em diferentes espécies vegetais. Foram priorizadas publicações com metodologia consistente, disponíveis em inglês ou português e publicadas em revistas indexadas. Por outro lado, foram excluídos trabalhos com dados inconclusivos, duplicações ou metodologia inadequada, de forma a garantir a qualidade e confiabilidade das informações analisadas.

Os dados coletados foram organizados e examinados utilizando ferramentas de análise qualitativa, como o software NVivo. Essa ferramenta facilitou a categorização das informações em temas centrais, incluindo composição da matriz de encapsulamento, métodos de conservação, aplicações agrícolas e desafios técnicos. A sistematização realizada permitiu identificar tendências na literatura e apontar áreas ainda pouco exploradas no campo da biotecnologia voltada às sementes sintéticas.

A análise envolveu a avaliação de protocolos de encapsulamento de embriões somáticos e propágulos vegetativos. Foram revisados estudos que testaram diferentes composições de matrizes de hidrogel, como alginato de sódio e ágar, verificando sua eficácia em termos de taxas de germinação, viabilidade celular e resistência mecânica. Os resultados foram comparados entre espécies agrícolas, florestais e ornamentais, o que permitiu identificar padrões e particularidades na utilização das sementes sintéticas para diferentes fins.

Para validar os dados coletados, foram considerados estudos que apresentassem replicabilidade experimental e resultados consistentes. A triangulação das informações foi realizada com base em fontes variadas, como publicações acadêmicas, relatórios de instituições internacionais e entrevistas com especialistas na área. Essa abordagem conferiu maior consistência às análises e reduziu possíveis vieses interpretativos, fortalecendo a confiabilidade das conclusões obtidas.  Apesar da amplitude metodológica, algumas limitações foram identificadas, incluindo a predominância de análises qualitativas e a falta de estudos empíricos de longo prazo sobre sementes sintéticas. Além disso, a dependência de dados secundários pode limitar a profundidade de certas interpretações. Ainda assim, o rigor na seleção e análise das fontes buscou minimizar esses obstáculos, garantindo a consistência das conclusões apresentadas.

O estudo também abordou as implicações éticas relacionadas à adoção dessa tecnologia, ressaltando a importância da democratização do acesso, da redução de desigualdades no uso de biotecnologias e da avaliação de possíveis impactos socioeconômicos. Essa perspectiva enfatiza a necessidade de uma abordagem ética e sustentável no desenvolvimento e na aplicação de sementes sintéticas, assegurando que seus benefícios sejam amplamente distribuídos de maneira equitativa.

Resultados e Discussão

A preservação da viabilidade das sementes sintéticas em longo prazo depende diretamente de condições ambientais controladas. Pesquisas como as de Ramírez e Torres (2022) evidenciam que fatores como baixa umidade relativa e temperaturas entre 5°C e 15°C são cruciais para garantir a estabilidade das sementes encapsuladas, permitindo sua conservação por até 12 meses sem perdas significativas de viabilidade. Essa abordagem, além de preservar as características fisiológicas das sementes, é particularmente relevante para espécies que exigem transporte e armazenamento prolongado, como as destinadas a regiões remotas ou de difícil acesso.

Thorpe e Harry (2020) corroboram esses achados, destacando que mesmo variações sutis de temperatura podem comprometer a integridade das matrizes encapsulantes, prejudicando as taxas de germinação. Assim, a adoção de tecnologias acessíveis, como sistemas de refrigeração simples e atmosferas modificadas, torna-se indispensável para superar esses desafios. Esses métodos, aliados ao desenvolvimento de estratégias mais avançadas de conservação, visam não apenas prolongar a vida útil das sementes sintéticas, mas também viabilizar sua aplicação em contextos agrícolas e ambientais diversificados.

O desenvolvimento de matrizes encapsulantes específicas para diferentes espécies vegetais é um dos pilares da pesquisa em sementes sintéticas, pois influencia diretamente sua eficácia e impacto ambiental. As combinações de alginatos com compostos como pectina e quitina não apenas aumentam a resistência mecânica das matrizes, mas também melhoram significativamente as taxas de germinação, especialmente em espécies agrícolas de interesse comercial. Esses avanços, no entanto, precisam ser ajustados às exigências nutricionais e ambientais de cada planta, o que demanda uma abordagem personalizada e baseada em dados experimentais robustos (ZHANG et al., 2021).

Além disso, Ahmed e Bhat (2023) destacam a importância da biodegradabilidade das matrizes encapsulantes, que, ao se degradarem no solo, liberam nutrientes de forma controlada, minimizando o impacto ambiental e otimizando o crescimento das plantas. Esse equilíbrio entre funcionalidade e sustentabilidade posiciona as matrizes personalizadas como elementos centrais para o sucesso das sementes sintéticas em larga escala, ao mesmo tempo em que amplia suas possibilidades de uso em sistemas agrícolas mais complexos.

Embora as sementes sintéticas apresentem desempenho satisfatório em condições laboratoriais, sua adaptação ao ambiente de campo continua sendo um dos maiores desafios enfrentados por essa tecnologia. Karimi et al. (2023) observaram que, em solos ricos em nutrientes, as sementes encapsuladas demonstram boas taxas de germinação, mas sua eficácia é significativamente reduzida em ambientes sujeitos a estresses hídricos ou temperaturas extremas. Isso evidencia a necessidade de aprimorar as matrizes encapsulantes com compostos que confiram maior tolerância a condições adversas.

 A incorporação de antioxidantes e polímeros hidrofóbicos como uma solução promissora, capaz de proteger as sementes de fatores ambientais extremos, aumentando sua aplicabilidade em cenários agrícolas diversos. Essa questão é especialmente relevante para regiões de agricultura de subsistência ou em áreas afetadas pelas mudanças climáticas, onde a viabilidade das culturas depende da resiliência das sementes utilizadas. Dessa forma, avanços na formulação das matrizes encapsulantes podem representar um divisor de águas para o uso das sementes sintéticas em condições de campo (SILVA e FREITAS, 2022).

A biotecnologia das sementes sintéticas apresenta-se como uma solução viável para reduzir a dependência de insumos agrícolas convencionais, como fertilizantes e pesticidas, promovendo práticas mais sustentáveis. Jain e Gupta (2021) argumentam que o encapsulamento de nutrientes e agentes biocontroladores diretamente nas sementes reduz consideravelmente o uso de produtos químicos aplicados ao solo, mitigando impactos ambientais e diminuindo custos para os agricultores. Essa abordagem é especialmente vantajosa em regiões onde o acesso a insumos agrícolas tradicionais é limitado, permitindo que pequenos produtores adotem práticas mais eficientes.

Essa tecnologia também pode contribuir para a conservação de recursos naturais, como água e solo, ao otimizar o uso de insumos essenciais. No entanto, o alto custo inicial de produção das sementes sintéticas continua sendo uma barreira significativa para sua ampla adoção, exigindo estratégias para reduzir esses custos e tornar a tecnologia acessível a agricultores em diferentes contextos econômicos (AHMED et al., 2023). Assim, o potencial das sementes sintéticas para aliar sustentabilidade e eficiência depende de esforços combinados em pesquisa, desenvolvimento e políticas públicas que incentivem sua implementação.

As sementes sintéticas têm mostrado grande potencial em projetos de restauração de ecossistemas degradados, oferecendo uma alternativa eficiente às sementes convencionais. Pereira e Rocha (2023) evidenciaram que matrizes enriquecidas com microrganismos simbióticos, como fungos micorrízicos, favoreceram o crescimento de espécies nativas em solos arenosos e de baixa fertilidade, promovendo a recuperação de áreas antes consideradas improdutivas.

De maneira complementar, González et al. (2022) destacaram que sementes encapsuladas com espécies nativas de florestas tropicais obtiveram taxas de sobrevivência superiores às de sementes tradicionais em solos compactados, demonstrando sua eficácia em condições adversas. Esses resultados reforçam a relevância das sementes sintéticas não apenas na produção agrícola, mas também como ferramenta para mitigar os efeitos das mudanças climáticas e recuperar áreas degradadas. No entanto, a aplicação em larga escala dessa tecnologia em projetos ambientais exige um planejamento cuidadoso, que leve em conta as características específicas de cada ecossistema e as demandas de sustentabilidade a longo prazo.

A viabilidade econômica das sementes sintéticas depende de uma combinação de inovações tecnológicas e incentivos adequados para sua adoção em larga escala. Carvalho e Silva (2022) apontam que, apesar do alto custo inicial de produção, a redução significativa de despesas logísticas, como transporte e armazenamento, torna a tecnologia atrativa para grandes produtores. Sem subsídios ou políticas públicas específicas, pequenos agricultores podem ser excluídos do acesso a essa inovação, perpetuando desigualdades no setor agrícola. Para garantir que os benefícios das sementes sintéticas sejam amplamente distribuídos, é essencial desenvolver políticas que promovam sua acessibilidade, como incentivos fiscais e programas de capacitação técnica (RAMÍREZ et al., 2023). As regulamentações claras são necessárias para assegurar padrões de qualidade e segurança, fomentando a confiança do mercado e incentivando a adoção da tecnologia em diferentes contextos produtivos.

A introdução das sementes sintéticas em sistemas agrícolas modernos tem potencial para revolucionar práticas de manejo, especialmente no que diz respeito à eficiência e à mecanização das atividades. Ahmed e Hassan (2022) demonstram que a utilização de sementes encapsuladas facilita o controle do espaçamento entre plantas e a uniformidade no tempo de germinação, fatores que otimizam o uso de máquinas agrícolas e reduzem o desperdício de recursos. Essa uniformidade é particularmente vantajosa em cultivos de larga escala, onde a previsibilidade dos ciclos produtivos é essencial para maximizar a produtividade.

Martins e Oliveira (2023) reforçam que o uso de sementes sintéticas contribui para uma utilização mais racional de insumos agrícolas, como água e fertilizantes, promovendo práticas mais sustentáveis e alinhadas às demandas ambientais. Contudo, a integração dessa tecnologia requer investimentos iniciais em equipamentos e capacitação técnica, o que pode limitar sua adoção por pequenos agricultores. Portanto, políticas que incentivem a transição tecnológica no manejo agrícola são fundamentais para expandir o uso das sementes sintéticas em diferentes contextos produtivos.

Os avanços em nanotecnologia e ciência dos materiais têm desempenhado um papel crucial no aprimoramento das sementes sintéticas, tornando-as mais adaptáveis e eficazes. Liu et al. (2023) relataram o uso de nanopartículas de prata em matrizes encapsulantes, aumentando a resistência das sementes a fungos e bactérias patogênicas, o que reduz significativamente perdas durante o cultivo. A integração de sensores inteligentes nas sementes, conforme descrito por González e Ramírez (2022), representa um avanço inovador, permitindo o monitoramento contínuo de condições do solo, como umidade e disponibilidade de nutrientes. Essas informações podem ser transmitidas em tempo real, possibilitando ajustes precisos no manejo agrícola, como a irrigação ou a aplicação de insumos. Embora esses avanços tragam benefícios evidentes, é importante destacar que sua implementação em larga escala requer a superação de barreiras econômicas e técnicas, além de uma regulamentação adequada para garantir que tais inovações sejam acessíveis e sustentáveis.

O sucesso da adoção das sementes sintéticas em larga escala está diretamente relacionado à formulação de políticas públicas e regulamentações específicas que incentivem sua aplicação. Silva e Carvalho (2023) argumentam que a criação de normas técnicas e certificações para assegurar a qualidade das sementes é essencial para construir a confiança do mercado e dos produtores.

Os incentivos fiscais e subsídios governamentais são necessários para reduzir as barreiras financeiras enfrentadas por pequenos agricultores, permitindo que eles também tenham acesso a essa tecnologia inovadora. Outro aspecto relevante é a regulamentação ética e ambiental, que deve garantir que a biotecnologia seja aplicada de forma responsável, considerando impactos socioeconômicos e questões de equidade (AHMED et al., 2023). A construção de parcerias entre instituições públicas, privadas e organizações internacionais também pode desempenhar um papel estratégico, ampliando o alcance e o impacto das sementes sintéticas, especialmente em países em desenvolvimento.

As sementes sintéticas têm potencial para desempenhar um papel transformador na agricultura global, oferecendo soluções para desafios relacionados à segurança alimentar, à conservação ambiental e à eficiência produtiva. Martins et al. (2023) sugerem que, com o avanço das pesquisas e a redução progressiva dos custos de produção, essa tecnologia poderá substituir métodos tradicionais em larga escala, especialmente em cultivos que demandam alta precisão e uniformidade.

Silva e Pereira (2022) apontam que a integração de novas tecnologias, como inteligência artificial e biotecnologia avançada, pode ampliar ainda mais a aplicabilidade das sementes sintéticas, permitindo sua utilização em culturas atualmente negligenciadas. No entanto, para que essas contribuições sejam plenamente realizadas, é imprescindível o fortalecimento da cooperação internacional em pesquisa e desenvolvimento, bem como a implementação de políticas que promovam o acesso equitativo a essa inovação. Assim, as sementes sintéticas consolidam-se como uma solução promissora para os desafios globais, alinhando progresso tecnológico com sustentabilidade e justiça social.

A incorporação de sementes sintéticas em práticas de agricultura regenerativa tem se mostrado uma abordagem eficaz para a recuperação de solos degradados, contribuindo para sistemas agrícolas mais saudáveis e sustentáveis. Patel e Singh (2023) demonstraram que sementes encapsuladas com microrganismos benéficos, como bactérias fixadoras de nitrogênio, promovem interações simbióticas mais eficientes no solo, resultando em melhorias significativas na estrutura e fertilidade do terreno. Essas propriedades regenerativas tornam a tecnologia especialmente útil em solos empobrecidos, onde os métodos tradicionais têm eficácia limitada.

A integração das sementes sintéticas com práticas agroecológicas, como a rotação de culturas e o uso de plantas de cobertura, maximiza os benefícios, ajudando na retenção de nutrientes e na proteção contra erosão. Esses avanços evidenciam como as sementes sintéticas podem desempenhar um papel central na transformação dos sistemas agrícolas convencionais, contribuindo para a regeneração de ecossistemas enquanto fortalecem a produção agrícola em bases sustentáveis (TORRES e ALMEIDA, 2023).

Apesar de seu potencial transformador, a disseminação das sementes sintéticas enfrenta desafios significativos relacionados à equidade no acesso. Garcia e Monteiro (2022) alertam para a concentração de patentes por grandes corporações, o que restringe a disponibilidade dessa tecnologia para pequenos agricultores, especialmente em comunidades rurais de baixa renda. Essa exclusividade pode ampliar desigualdades já existentes, dificultando a implementação de práticas biotecnológicas em larga escala.

Khan e Roberts (2023) argumentam que a formulação de políticas públicas voltadas para subsídios, incentivos fiscais e programas de capacitação técnica é fundamental para mitigar essas barreiras. Além disso, iniciativas que incentivem a formação de cooperativas agrícolas e promovam a transferência de tecnologia podem garantir que os benefícios das sementes sintéticas alcancem agricultores de diferentes contextos socioeconômicos. A democratização do acesso é um fator crítico para assegurar que essa inovação não apenas modernize a agricultura, mas também contribua para uma distribuição mais justa de seus avanços.

A preservação de espécies vegetais endêmicas e ameaçadas de extinção é uma das aplicações mais promissoras das sementes sintéticas, destacando seu papel na conservação da biodiversidade. O encapsulamento de embriões somáticos de plantas nativas permite o transporte seguro e a reintrodução em habitats naturais, oferecendo uma solução prática para enfrentar a perda de biodiversidade causada pela destruição de habitats (OLIVEIRA e MATSUDA, 2023). Yamamoto e Ruiz (2023) enfatizam que bancos móveis de sementes, baseados em tecnologia sintética, facilitam o intercâmbio de germoplasma entre países, promovendo a preservação global de espécies raras. Essa estratégia é especialmente relevante em um cenário de mudanças climáticas e pressão antrópica crescente, onde a conservação ativa de recursos genéticos se torna essencial para a sustentabilidade dos ecossistemas. A aplicação de sementes sintéticas na conservação sublinha a necessidade de unir esforços científicos, logísticos e políticos para mitigar os impactos da perda de biodiversidade em escala global.

A utilização de sementes sintéticas em sistemas hidropônicos e aquapônicos tem ganhado espaço como uma solução eficiente para a produção de alimentos em ambientes controlados, especialmente em contextos urbanos. Martins e Ferreira (2022) demonstraram que sementes encapsuladas com nutrientes solúveis e agentes bioestimulantes apresentam maior uniformidade no crescimento das plantas, reduzindo o desperdício de recursos e otimizando a produtividade. Esses sistemas são particularmente adequados para áreas urbanas com espaço limitado, onde o cultivo vertical e a agricultura indoor requerem precisão nos insumos e nas condições de crescimento.

A tecnologia das sementes sintéticas permite minimizar o consumo de água e energia, tornando-a altamente sustentável em ambientes de alta densidade populacional. Essa abordagem representa um avanço significativo na modernização da agricultura, ao integrar tecnologia de ponta em sistemas inovadores de cultivo que atendem às demandas por segurança alimentar em regiões com espaço e recursos limitados (ROJAS e CASTRO, 2023).

As sementes sintéticas têm se destacado como ferramentas estratégicas para a adaptação das culturas agrícolas aos impactos das mudanças climáticas. Wang e Lin (2023) mostraram que matrizes encapsulantes podem ser formuladas com compostos bioativos que aumentam a tolerância das plantas ao estresse hídrico, variações de temperatura e solos com baixa fertilidade. Essa capacidade adaptativa é particularmente relevante em áreas vulneráveis às mudanças climáticas, onde a produção agrícola enfrenta desafios crescentes.

Estudos de Oliveira e Ramirez (2022) reforçam a importância de sementes sintéticas em programas de reflorestamento e recuperação de áreas costeiras afetadas pelo aumento do nível do mar. Ao permitir o cultivo em condições climáticas extremas, essas sementes oferecem uma solução viável para sustentar a segurança alimentar global em um cenário de instabilidade ambiental, demonstrando como a biotecnologia pode ser instrumental na construção de sistemas agrícolas mais eficazes e adaptados.

O desenvolvimento de sementes sintéticas está intrinsecamente ligado aos avanços contínuos em biotecnologia e inovação científica, indicando um futuro promissor para a agricultura global. Nakagawa e Campos (2023) destacam que a integração de inteligência artificial nos processos de encapsulamento tem permitido uma personalização mais precisa das matrizes, otimizando sua composição para atender às necessidades específicas de diferentes culturas. Essa abordagem não só melhora a eficácia das sementes, mas também reduz custos de produção, tornando a tecnologia mais acessível.

Garcia e Santos (2023) ressaltam que parcerias entre centros de pesquisa internacionais e instituições acadêmicas têm sido fundamentais para o desenvolvimento de matrizes mais sustentáveis e economicamente viáveis, acelerando a transferência de conhecimento e tecnologia. Essas colaborações demonstram como a sinergia entre ciência e inovação pode superar os desafios globais da agricultura, consolidando as sementes sintéticas como uma ferramenta indispensável para a segurança alimentar e a conservação ambiental no futuro.

As sementes sintéticas representam uma convergência estratégica entre biotecnologia, sustentabilidade e inovação agrícola, configurando-se como uma resposta viável a desafios globais, como a garantia da segurança alimentar, a conservação ambiental e a adaptação às mudanças climáticas. Apesar do grande potencial, sua adoção em larga escala exige não apenas avanços técnicos, mas também a formulação de políticas públicas inclusivas e a construção de parcerias eficazes entre pesquisadores, governos e agricultores, a fim de superar barreiras econômicas, sociais e regulatórias.

Este trabalho abordou os progressos alcançados até o momento, os obstáculos ainda presentes e as perspectivas futuras dessa tecnologia, que desponta como uma ferramenta transformadora nos campos da produção agrícola e da gestão ambiental. O futuro das sementes sintéticas, portanto, dependerá de um equilíbrio entre inovação científica e um compromisso ético e sustentável, alinhado às necessidades urgentes da sociedade global.

Referências

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CAPÍTULO 9

TRAJETÓRIA DOS MARCADORES MOLECULARES APLICADOS AO MELHORAMENTO VEGETAL: MODALIDADES E PERSPECTIVAS

TRAJECTORY OF MOLECULAR MARKERS APPLIED TO PLANT IMPROVEMENT: TYPES AND PERSPECTIVES

DOI: https://doi.org/10.56001/22.9786500495669.09

Submetido em: 15/12/2024

Revisado em: 22/12/2024

Publicado em: 27/12/2024

Demerson Arruda Sanglard

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/7417873079167401

Ana Carolina Ataíde Silveira

Universidade Estadual de Montes Claros, Hospital Universitário, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/2466104732305153

Leandro Silva de Oliveira

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/7112647732774200

Claudinéia Ferreira Nunes

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/8189644314305172

Flávia Echila Ribeiro Batista

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/9175849604614635

Maria Betânia Fonseca

Universidade Estadual de Montes Claros, PPGB, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/3614739537291794

Leonardo Máximo da Silva

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/8554896027699899

Ariane da Silva Nogueira

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/8247585524843586

Andressa Layane Ferreira Linhares

Universidade Estadual da Região Tocantina do Maranhão, CCA, Imperatriz-MA

http://lattes.cnpq.br/0487448213901007

Carlos Juliano Brant Albuquerque

Universidade Federal de Minas Gerais, Instituto de Ciências Agrárias, Montes Claros-MG

http://lattes.cnpq.br/1647940900228987

Resumo

Este estudo realizou uma revisão abrangente sobre a trajetória, modalidades e avanços nos mecanismos de uso de marcadores moleculares no melhoramento genético vegetal, sintetizando seu impacto técnico e prático no contexto agrícola global. A pesquisa abrange publicações entre 1997 e 2022, utilizando descritores específicos e bases de dados renomadas como Web of Science e Scopus para garantir uma análise robusta e representativa. A análise incluiu marcadores baseados em proteínas, hibridização, PCR, sequenciamento e epigenéticos, além de destacar tecnologias emergentes como nanomarcadores, CRISPR-Cas e aprendizado de máquina. Marcadores de proteínas, apesar de limitações em precisão, permaneceram relevantes em espécies tropicais, enquanto os de hibridização, como RFLP, foram pioneiros na construção de mapas genéticos. Marcadores baseados em PCR, incluindo SSR, AFLP e DaRT, consolidaram-se como ferramentas indispensáveis, destacando-se pela eficiência e aplicabilidade em diversas culturas. Avanços em sequenciamento, como RAD-seq e RNA-seq, ampliaram a resolução genômica, enquanto marcadores epigenéticos emergiram como uma dimensão crítica para a compreensão da plasticidade fenotípica. Tecnologias emergentes, como sequenciamento de terceira geração, aprendizado de máquina e nanomarcadores, revolucionaram a análise e integração de dados multiômicos, promovendo maior lucro e sustentabilidade no desenvolvimento de cultivares. Apesar dos desafios como custos elevados e complexidade técnica, o futuro do melhoramento genético vegetal reside na convergência dessas tecnologias, permitindo cultivares resilientes e produtivos adaptados aos mais variados cenários agrícolas globais.

Palavras-Chave: MAS, melhoramento vegetal, GWAS, multi-ômica, tecnologias emergentes

Abstract

This study carried out a comprehensive review of the trajectory, modalities and advances in the mechanisms of use of molecular markers in plant genetic improvement, synthesizing their technical and practical impact in the global agricultural context. The research covers publications between 1997 and 2022, using specific descriptors and renowned databases such as Web of Science and Scopus to ensure a robust and representative analysis. The analysis included protein-based markers, hybridization, PCR, sequencing and epigenetics, in addition to highlighting emerging technologies such as nanomarkers, CRISPR-Cas and machine learning. Protein markers, despite limitations in accuracy, remained relevant in tropical species, while hybridization markers, such as RFLP, were pioneers in the construction of genetic maps. PCR-based markers, including SSR, AFLP and DaRT, have consolidated themselves as indispensable tools, standing out for their efficiency and applicability in several crops. Advances in sequencing, such as RAD-seq and RNA-seq, have increased genomic resolution, while epigenetic markers have emerged as a critical dimension for understanding phenotypic plasticity. Emerging technologies, such as third-generation sequencing, machine learning, and nanomarkers, have revolutionized the analysis and integration of multiomic data, promoting greater profitability and sustainability in cultivar development. Despite challenges such as high costs and technical complexity, the future of plant genetic improvement lies in the convergence of these technologies, enabling resilient and productive cultivars adapted to the most diverse global agricultural scenarios.

Keywords: MAS, plant breeding, GWAS, multi-omics, emerging technologies

Introdução

O melhoramento genético vegetal desempenha um papel central na agricultura moderna, sendo essencial para atender às crescentes demandas por maior produtividade, qualidade dos produtos e sustentabilidade ambiental (Turchetto-Zolet et al., 2017; Yali, 2022). Diante do cenário global de crescimento populacional e de mudanças climáticas, a utilização de tecnologias inovadoras tem se tornado necessária para a melhoria dos sistemas agrícolas. Nesse contexto, os marcadores moleculares emergem como ferramentas fundamentais, possibilitando maior precisão e eficiência na seleção de características desejáveis ​​em plantas, como resistência a doenças, tolerância a estresses abióticos e melhorias na qualidade nutricional (Oliveira Santos e Rocha, 2016; Choudhury et al., 2022).

Marcadores moleculares são sequências de DNA ou RNA que indicam a presença de características genéticas específicas em um organismo, possibilitando a identificação e o rastreamento de genes de interesse ao longo das gerações (Oliveira et al., 2021). Com o advento das tecnologias genômicas, como sequenciamento de última geração (NGS) e plataformas de genotipagem de alta densidade, os avanços nesse campo têm sido expressivos, reduzindo custos e ampliando o acesso à análise genética em programas de melhoramento (Silva et al., 2021). Além disso, os marcadores moleculares permitem uma abordagem mais rápida e precisa para o desenvolvimento de novas cultivares, contribuindo para uma agricultura mais competitiva e sustentável (Oliveira et al., 2021).

A relevância dos marcadores moleculares está intrinsecamente ligada à sua capacidade de identificação de características específicas com base em variações genéticas. Essas ferramentas têm sido amplamente utilizadas em diferentes modalidades, incluindo seleção assistida por marcadores (MAS) e mapeamento de genes, acelerando significativamente o processo de melhoramento genético e conforto soluções para desafios agronômicos complexos (Toppa e Jadoski, 2013). Assim, o estudo das modalidades e mecanismos que envolvem essas ferramentas é de extrema importância para o avanço do setor agrícola.

Metodologia

Este estudo foi desenvolvido como uma revisão analítica com abordagem sistêmica (Oliveira, 2021), abordando a trajetória cronológica, modalidades e refinamentos dos mecanismos de uso de marcadores moleculares no melhoramento genético vegetal. A revisão sintetizou os avanços técnicos, os desafios e as aplicações práticas dessas ferramentas no contexto agrícola global. A metodologia aprimorou um delineamento estruturado em etapas: planejamento, coleta de dados, análise e síntese integrativa com base em recomendações metodológicas para revisões sistemáticas (Lima Dantas et al., 2022).

A pesquisa foi delimitada a publicações acadêmicas entre 1997 e 2022, considerando a relevância crescente dos marcadores moleculares durante esse período devido aos avanços em tecnologias genômicas e às demandas por maior eficiência no melhoramento genético (Borém et al., 2021). Foram incluídas publicações que abordavam diretamente modalidades que vigoravam predominantemente em cada década, além de aplicações práticas no contexto agrícola.

A busca foi realizada em bases de dados científicos amplamente reconhecidas, incluindo Web of Science, Scopus, PubMed e SciELO, além de comunicados técnicos de agências oficiais, repositórios de pós-graduações e livros. Os descritores utilizados incluíram definições de termos em inglês, como por exemplo “molecular markers”, “plant breeding”, ” Plant molecular genetics”, “MAS” (Marker Assisted Selection), “genomics tools”, etc.; estruturados com operadores booleanos para garantir abrangência e precisão (Santos Puga e Atallah, 2020).

Resultados e Discussão

• Marcadores baseados em proteínas

Marcadores baseados em proteínas, como isoenzimas, foram importantes nos estágios iniciais do melhoramento genético vegetal, devido à simplicidade e baixo custo (Ferreira e Grattapaglia, 1998). Ainda relevantes em culturas tropicais e espécies subutilizadas, esses marcadores refletem a funcionalidade gênica e são úteis em estudos de diversidade e seleção de características agronômicas específicas (Bered et al., 1997; Carneiro et al., 2016).

Apesar de superados por marcadores de DNA em precisão e abrangência, avanços como a espectrometria de massa e a integração multi-ômica indicam novas aplicações, combinando análise Proteômica e genômica para compreender interações genótipo-fenótipo (Borém e Fritsche-Neto 2013; Silva, 2021; Yan et al. 2022). Contudo, custos elevados e limitações tecnológicas desafiam sua ampla adoção em países em desenvolvimento (Lohbauer, 2022).

A convergência de marcadores baseados em proteínas e DNA pode otimizar o melhoramento genético vegetal, especialmente com o uso de inteligência artificial e plataformas de análise integrativa (Rocha et al., 2021). Essa abordagem representa uma nova fronteira na busca por maior eficiência e sustentabilidade agrícola.

• Marcadores baseados em hibridização

Os marcadores de hibridização, como RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism) e Southern blot, foram pioneiros no uso de ferramentas moleculares para a identificação de variações genéticas e permanecem como referência histórica na trajetória do melhoramento genético vegetal (Carrer et al., 2010; Souza, 2019).

Apesar de serem considerações de metodologias tradicionais, os marcadores de hibridização ainda possuem relevância em análises específicas, como estudos de ligação gênica e identificação de genes associados a características agronômicas importantes (Miqueloni et al., 2019). Esses marcadores são notáveis ​​por sua alta reprodutibilidade e precisão em análises genéticas complexas, embora tenham sido gradualmente substituídos por tecnologias mais rápidas e menos onerosas, como PCR e NGS (Next-Generation Sequencing) (Bartsch et al., 2018; Cavalcante, 2022).

Com o desenvolvimento de tecnologias modernas, os marcadores de hibridização passaram a ser usados ​​em combinação com abordagens de sequenciamento, permitindo análises mais elaboradas de genomas complexos. Estudos recentes demonstram que a integração de hibridização com técnicas como CRISPR-Cas9 e mapeamento por associação genômica ampla (GWAS) pode revelar novas perspectivas sobre genes de interesse agronômico e sua funcionalidade (Luo et al., 2021; Waghmare, 2022).

O uso de marcadores de hibridização também foi revigorado por aplicações em genômica comparativa, onde as conclusões dessas técnicas facilitam a análise de regiões conservadas entre genomas de espécies próximas. Isso é particularmente importante para a transferência de genes e para o desenvolvimento de cultivares resistentes a estresses abióticos e bióticos (Joshi et al.; 2019; Aguilar-Aleixo, 2021).

Apesar de suas contribuições, os marcadores de hibridização enfrentam limitações específicas, como a demanda por grandes quantidades de DNA, o uso intensivo de tempo e o custo elevado. Esses fatores restringem sua aplicação em larga escala em comparação com métodos baseados em PCR ou sequenciamento (Ferreira e Grattapaglia, 1998; Chukwu et al., 2019). No entanto, a incorporação dessas técnicas em estudos avançados de genômica funcional pode contribuir para o entendimento mais profundo de características complexas e para o desenvolvimento de soluções inovadoras no melhoramento genético vegetal (Ma et al., 2021; Martins, 2022).

O futuro dos marcadores de hibridização está intrinsecamente ligado à sua integração com plataformas tecnológicas avançadas e ao desenvolvimento de protocolos que reduzem custos e aumentam sua eficiência. Essa evolução pode ampliar seu papel em programas de melhoramento genético, especialmente em estudos de espécies negligenciadas e subutilizadas (Serafini et al., 2021).

• Marcadores baseados em PCR

Os marcadores moleculares baseados em PCR consolidaram-se como ferramentas indispensáveis ​​no melhoramento genético vegetal, devido à sua eficiência na amplificação seletiva de sequências de DNA e à ampla aplicabilidade em diversas culturas. Modalidades como RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA), ISSR (Inter Simple Sequence Repeat), SSR (Simple Sequence Repeat), AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism), CAPS (Cleaved Amplified Polymorphic Sequences), dCAPS (Derived Cleaved Amplified Polymorphic Sequences) e DaRT (Diversity Arrays Technology) contribuíram significativamente para a identificação de polimorfismos genéticos, seleção assistida por marcadores (MAS) e mapeamento de características quantitativas (QTLs) (Borém e Caixeta, 2009; Moreira, 2015; Turchetto-Zolet et al., 2017; Garrido-Cardenas et al., 2018; Nadeem et al., 2018; Bernardo, 2020; Serrote et al., 2020; Antunes et al., 2021; Goswami et al., 2022).

Os marcadores RAPD e ISSR, apesar das tecnologias de primeira geração, continuam relevantes em estudos iniciais de diversidade genética devido à simplicidade e baixo custo (Silva Oliveira et al., 2020). Por outro lado, SSR e AFLP destacam-se pela sua alta reprodutibilidade e precisão na detecção de polimorfismos. Os SSRs, por exemplo, têm sido amplamente aplicados em mapeamentos genéticos de culturas como arroz (Oryza sativa) e trigo (Triticum aestivum), onde locais específicos associados à resistência a estresses bióticos e abióticos foram identificados (Llatas et al., 2021). Já o AFLP oferece uma abordagem robusta para análise de genomas pouco caracterizados, sendo essencial para estudos de paisagens naturais e subutilizadas (Blind et al., 2020).

Marcadores como CAPS e dCAPS possibilitam a validação de SNPs em regiões genômicas de interesse. Essas técnicas têm sido eficazes na seleção de genótipos resistentes a doenças em culturas como soja (Glycine max) e milho (Zea mays), oferecendo maior precisão no delineamento de programas de melhoramento (Turchetto-Zolet et al., 2017).

O DaRT, por sua vez, utiliza uma abordagem híbrida de hibridização e PCR, permitindo análises de larga escala em situações complexas. Este marcador tem sido mostrado altamente eficiente em estudos de diversidade genética e genômica comparativa, sendo amplamente utilizado em culturas de grande importância econômica, como cana-de-açúcar (Saccharum spp.) e cevada (Hordeum vulgare) (Tianqing et al., 2018).

Os avanços em plataformas de sequenciamento de última geração (NGS) e bioinformática ampliaram o escopo dos marcadores baseados em PCR, permitindo sua integração com ferramentas modernas, como GWAS (Genome-Wide Association Studies). Essa abordagem tem facilitado a identificação de locais de características complexas, como eficiência no uso de nutrientes e tolerância ao calor, promovendo avanços em sustentabilidade agrícola (Dantas et al., 2017, Alseekh et al., 2021; Uffelmann et al., 2021).

Além disso, a evolução do PCR digital e do PCR multiplex contribuiu para aumentar a precisão e a capacidade de detecção de múltiplos locais simultaneamente, tornando essas tecnologias ainda mais relevantes para estudos de grande escala (Colombo e Hagiwara, 2020; Sobiech et al.; 2022).

Apesar de suas contribuições, os marcadores baseados em PCR enfrentam desafios, como a necessidade de oligonucleotídeos (primers) específicos, suscetibilidade a erros de amplificação e limitações na detecção de polimorfismo em regiões complexas do genoma (Marwal e Gaur, 2020). No entanto, com a integração de análises multi-ômicas e aprendizado de máquina, esses marcadores têm potencial para superar essas barreiras, contribuindo para programas de melhoria mais eficientes e sustentáveis ​​(Reel  et al., 2021; Haleem et al., 2022).

• Marcadores baseados em sequenciamento

Marcadores baseados em sequenciamento representam uma evolução mais avançada das ferramentas moleculares, possibilitando análises de alta resolução e abrangência genômica. Essas tecnologias, acerçadas no sequenciamento de DNA de próxima geração NGS (Next-Generation Sequencing), como RAD-seq (Restriction site Associated DNA sequencing), GBS (Genotyping by Sequencing), RNA-seq (RNA sequencing) e tecnologias de sequenciamento de terceira geração (PacBio e Nanopore), revolucionaram o melhoramento genético vegetal para permitir a genotipagem em larga escala e a análise de características complexas (Giusti et al., 2016; Zhao et al., 2019; Wang et al., 2020; Karst et al., 2021).

RAD-seq e GBS destacam-se por sua capacidade de gerar grandes volumes de dados genômicos de forma eficiente e com custos reduzidos. O RAD-seq utiliza enzimas de restrição para identificar regiões específicas do genoma, enquanto o GBS combina restrição enzimática e sequenciamento direto para acesso a variações genéticas, como SNPs, de forma rápida e eficaz (Ulaszewski et al., 2021).

O RNA-seq, por sua vez, permite o sequenciamento do transcriptoma completo, oferecendo insights detalhados sobre genes expressos sob diferentes condições ambientais e de manejo. Essa modalidade tem sido essencial para desvendar os mecanismos moleculares subjacentes à tolerância aos estresses bióticos e abióticos em culturas como arroz (Oryza sativa) e cana-de-açúcar (Saccharum spp.) (Santos Fagundes e Cagliari, 2019; Lei et al., 2021; Manimekalai et al., 2022).

As tecnologias de terceira geração, como PacBio e Nanopore, introduziram uma capacidade de sequenciar longas regiões genômicas sem interrupções. Isso é particularmente relevante para a análise de genomas complexos e altamente repetitivos, como o da banana (Musa spp.), permitindo a identificação precisa de variantes estruturais (Belser et al., 2019).

Marcadores baseados em sequenciamento têm grandes acurácias e potenciais, no sentido de fornecer ao melhoramento genético dados precisos sobre associações genômicas. A integração com ferramentas como GWAS (Genome-Wide Association Studies) e seleção genômica tem ampliado significativamente a capacidade de identificar locais associados a características complexas, como produtividade e resistência a estresses ambientais (Azevedo et al., 2019; Cardona Tobar et al., 2020).

Além disso, a combinação de sequenciamento com análises multi-ômicas, como proteômica e metabolômica, permitiu uma compreensão mais aprofundada dos mecanismos moleculares que regulam traços agronômicos, oferecendo perspectivas promissoras para o desenvolvimento de cultivares mais produtivas e resilientes (Corona-Herrera, 2021).

Apesar de seu potencial transformador, marcadores baseados em sequenciamento enfrentam desafios relacionados à análise e interpretação de grandes volumes de dados genômicos, além dos altos custos associados a equipamentos e softwares especializados (Medeiros e Leandro, 2019; Petersen et al., 2019). Entretanto, o desenvolvimento contínuo das tecnologias de bioinformática e aprendizado de máquina tem acelerado a capacidade de analisar e integrar esses dados de forma eficiente, reduzindo barreiras para a adoção ampla (Bajay, 2022).

O futuro dos marcadores baseado no sequenciamento reside na acessibilidade e na integração total com plataformas digitais avançadas, o que permitirá a personalização de estratégias de melhoramento genético e a adaptação de cultivares às demandas específicas de diferentes regiões agrícolas e cenários climáticos globais (Sun et al., 2020; Santos et al., 2022).

• Marcadores baseados em efeitos epigenéticos

Os marcadores epigenéticos emergiram como uma fronteira promissora no melhoramento genético vegetal, oferecendo uma dimensão adicional ao entendimento das características agronômicas. Diferentemente dos marcadores clássicos, que detectam variações na sequência de DNA, os marcadores epigenéticos identificam modificações químicas que regulam a expressão gênica sem alterar a sequência do genoma. Essas modificações incluem metilação do DNA, modificações de histonas e regulação por RNAs não codificantes, as quais desempenham papéis cruciais na adaptação a estresses ambientais, plasticidade fenotípica e herança transgeracional (Parejo Farnés et al., 2019; Statello et al., 2021).

O principal mecanismo abordado nos marcadores epigenéticos é a metilação do DNA, frequentemente comprovado por meio de técnicas como bisulfito-PCR e sequenciamento de bisulfito (BS-seq). Essas abordagens permitem mapear padrões de metilação em locais específicos ou em todo o genoma, revelando associações com características como resistência a estresses abióticos e produtividade (Pereira, 2019; Smail e Mohamad, 2022).

Além disso, modificações nas histonas, como acetilação e metilação, foram exploradas por técnicas como cromatina-imunoprecipitação seguida de sequenciamento (ChIP-seq). Essas modificações estão associadas à regulação da expressão de genes envolvidos no desenvolvimento e na defesa contra patógenos, ampliando as possibilidades de uso de marcadores epigenéticos em programas de melhoramento (Alonso et al., 2019; Zhang et al., 2021).

Os marcadores epigenéticos têm potencial para complementar os marcadores moleculares tradicionais ao oferecer insights sobre a regulação gênica em resposta ao ambiente. Estudos integrando dados epigenéticos com abordagens genômicas, como GWAS (Genome-Wide Association Studies), identificaram locos regulatórios chave associados a características quantitativas complexas (Fang e Luo, 2019). A integração de dados multiômicos, incluindo epigenômica e transcriptômica, permite um entendimento mais profundo das interações genótipo-ambiente, possibilitando estratégias de melhoria mais eficientes e sustentáveis ​​(Subramanian et al., 2020).

Embora o uso de marcadores epigenéticos no melhoramento vegetal ainda esteja em seus avanços iniciais, avanços em tecnologias de sequenciamento de alta sensibilidade, como Nanopore e PacBio, estão facilitando a identificação de modificações epigenéticas em larga escala. No entanto, a interpretação desses dados apresenta desafios, incluindo a necessidade de ferramentas bioinformáticas avançadas e a complexidade em diferenças de modificações herdáveis ​​de variações transitórias causadas pelo ambiente (Liu et al., 2021).

Os marcadores epigenéticos oferecem uma oportunidade única para abordar questões como a plasticidade fenotípica e a herança transgeracional de características adaptativas. Com a redução contínua nos custos e a melhoria nas ferramentas analíticas, é provável que esses marcadores se tornem parte integrante dos programas de melhoramento genético no futuro próximo, ampliando a capacidade de desenvolver cultivares resilientes às demandas agrícolas globais (Liang et al., 2018; Lucibelli et al., 2022).

• Marcadores baseados em tecnologias emergentes

As tecnologias emergentes revolucionaram o campo dos marcadores moleculares, trazendo inovações que expandem as fronteiras do melhoramento genético vegetal. Ferramentas como sequenciamento de terceira geração, edição genômica por CRISPR-Cas, aprendizado de máquina, bioinformática avançada e nanomarcadores representam um novo paradigma para análise, integração e aplicação de dados genômicos, epigenômicos e fenotípicos. Esses avanços aceleraram a identificação de características complexas, tornando os programas de melhoramento mais eficientes, precisos e adaptáveis ​​às demandas agrícolas contemporâneas (Aksoy et al., 2022; Dmitriev et al., 2022; Prey et al., 2022; Teimoori Yaneh-Sari et al., 2022).

O sequenciamento de terceira geração, exemplificado por tecnologias como PacBio e Nanopore, oferece leituras longas e precisas, essenciais para decifrar genomas altamente repetitivos e complexos, como o de trigo (Triticum aestivum) e banana (Musa spp.). Além disso, essas plataformas integram a análise de modificações epigenéticas, como metilação do DNA, com dados genômicos, permitindo uma compreensão mais ampla de características hereditárias e adaptativas (Singh et al., 2022; Tay Fernandez et al., 2022).

A edição genômica com CRISPR-Cas transformou o desenvolvimento de marcadores moleculares para permitir a validação funcional de genes-alvo. Essa tecnologia tem sido utilizada para introduzir características específicas em plantas, como resistência a doenças e tolerância a estresses abióticos. Quando integrado com ferramentas de sequenciamento, o CRISPR potencializa a criação de cultivares altamente adaptadas e com traços complexos otimizados (Nidhi et al., 2021; Rehman et al., 2022).

Apesar de suas vantagens, as tecnologias emergentes enfrentam desafios relacionados à acessibilidade, custos de implementação e complexidade analítica. Os países em desenvolvimento ainda têm acesso limitado a essas ferramentas, criando lacunas no uso amplo e equitativo dessas tecnologias (Li et al.; 2020; Kumar et al., 2022). No entanto, Shah et al. (2022) argumentam sobre a tendência de redução de custos, aliada ao desenvolvimento de ferramentas bioinformáticas mais acessíveis e colaborativas, promete democratizar o uso dessas tecnologias no melhoramento genético global.

O futuro das tecnologias emergentes reside na convergência de suas capacidades, de acordo com ​​(Usha et al., 2022). A integração de sequenciamento, edição genômica, nanomarcadores e aprendizado de máquina em um ecossistema analítico robusto tem potencial para redefinir o cenário agrícola, permitindo o desenvolvimento de cultivares mais resilientes, produtivas e sustentáveis.

­­Considerações Finais

Os marcadores moleculares transformaram o panorama do melhoramento genético vegetal, tornando-se ferramentas indispensáveis ​​para superar os desafios globais na agricultura, como o aumento da produtividade, a adaptação às mudanças climáticas e a sustentabilidade ambiental. Desde os marcadores pioneiros baseados em proteínas e hibridização até as modernas tecnologias de sequenciamento, edição genômica e nanotecnologia, houve um progresso significativo na capacidade de identificar, mapear e manipular características genéticas complexas, conforme síntese apresentada na Tabela 1. O futuro do melhoramento genético vegetal reside na integração de tecnologias moleculares de ponta com fenotipagens a campo baseadas em inteligências artificiais cada vez mais céleres, permitindo o desenvolvimento de cultivares resilientes, produtivas e ambientalmente sustentáveis. Essa trajetória reflete a importância de um esforço colaborativo global entre ciência, tecnologia e agricultura para atender às demandas de segurança alimentar e sustentabilidade no século XXI.

Tabela 1: Síntese comparativa sobre a trajetória dos principais marcadores moleculares aplicados ao melhoramento genético vegetal.

*(Década ou ano dos primeiros relatos). Fonte: Elaborado pelos autores.

Agradecimentos

Nossos agradecimentos ao fomento concedido pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG – Projeto APQ-03554-14): “Melhoramento participativo de milho com enfoque na agrobiodiversidade do semiárido mineiro”. Também destacamos os esforços das equipes acadêmicas vinculadas ao Laboratório de Biotecnologia e ao NEProTeC (Núcleo de Estudos em Produção e Tecnologia de Cereais), ambos vinculados à Universidade Federal de Minas Gerais (Campus Montes Claros).

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