Daniela Collares, Embrapa Agroenergia 26/03/2014

Há muito tempo, a medicina tem se valido de imagens para avaliar a saúde das pessoas e identificar problemas no funcionamento de órgãos do corpo humano. Em estudos de vegetais, no entanto, apenas recentemente os equipamentos que geram imagens reveladoras do funcionamento de diversos mecanismos vêm ganhando espaço em âmbito mundial, por meio de um conjunto de técnicas conhecidas como Fenômica. Elas têm sido mais utilizadas em âmbito global em programas de melhoramento altamente tecnológico, especialmente para a descoberta de genes.

No Brasil, pesquisadores da Embrapa estão desenvolvendo procedimentos próprios utilizando tais técnicas para a caracterização de plantas, com ênfase especial na aplicação em programas de melhoramento genético. Com essa perspectiva, estão combinando equipamentos que captam desde imagens fotográficas até imagens espectroscópicas dos vegetais com poderosos softwares para processamento de dados e construção de figuras tridimensionais.

Processo para fenotipagem

Para validar a metodologia, um projeto de pesquisa liderado pela Embrapa Agroenergia (Brasília/DF) vai empregar esses recursos para avaliar a capacidade de tolerância à seca de plantas de milho obtidas em programas de melhoramento da Embrapa Milho e Sorgo (Sete Lagoas/MG). As análises serão feitas nesses dois centros de pesquisa, e também na Embrapa Informática Agropecuária (Campinas/SP) e na Embrapa Instrumentação (São Carlos/SP).

O milho foi escolhido como planta-modelo para os primeiros trabalhos pela grande quantidade de informações que a Embrapa detém sobre a espécie, o que facilita a comparação de resultados. “Vamos trabalhar com um material já caracterizado em campo para validar a metodologia que estamos desenvolvendo”, diz o pesquisador da Embrapa Agroenergia Carlos de Sousa, líder do projeto. A tolerância à seca, por sua vez, é objeto de estudo pela importância que o déficit hídrico vem ganhando nos últimos anos, em função da intensificação da seca em várias regiões.  Por esse motivo, o projeto compõe o portfólio de pesquisas sobre mudanças climáticas da Embrapa.

Passo a passo
Em Sete Lagoas, estão concentradas as medições da temperatura da copa das plantas, ou seja, dos genótipos de milho em estudo, tanto em condições normais quanto de seca. Esse parâmetro indica a influência do déficit hídrico no processo de dissipação térmica por meio da transpiração e, consequentemente, o desenvolvimento da planta. “Em geral, se a planta estiver como fluxo hídrico bem regulado, a folha apresenta temperatura mais baixa do que a do ambiente”, explica o pesquisador Reinaldo Gomide, da Embrapa Milho e Sorgo. A câmera termográfica utilizada nesse trabalho consegue identificar diferenças de temperatura de 0,1ºC entre as plantas.

Em Brasília, os pesquisadores usarão imagens de fluorescência de clorofila para avaliar quais genótipos de milho são mais eficientes na conversão de luz em carboidratos, sob condições de déficit hídrico. Carlos Sousa observa que, uma vez absorvida pelas folhas das plantas, a luz pode seguir três destinos principais: a fotossíntese, a geração de calor ou a emissão de fluorescência. “Todo tipo de estresse interfere direta ou indiretamente no processo fotossintético da planta, o que termina afetando todo o sistema metabólico”, ressalta o pesquisador da Embrapa Agroenergia. Acoplada a um conjunto de lâmpadas que superam as condições do mais brilhante dia de sol, a câmera utilizada nesse trabalho consegue determinar quanto da iluminação a planta é destinada a cada um desses fins. “Obviamente as plantas que nos interessam são as que conseguem manter maior aproveitamento de luz para fotossíntese, mesmo em uma situação adversa como a seca”, pontua Carlos Sousa.

Duas estações de trabalho ficarão na Embrapa Instrumentação (São Carlos/SP). Uma delas captará imagens que servirão para determinar os teores de pigmentos, tais como clorofilas, carotenos e antocianinas. “Se você observar duas plantas de milho cultivadas em regime de baixa disponibilidade de água, estando uma amarelada e outra completamente verde, visualmente é possível saber qual delas tolerou melhor a seca; no entanto, se você está avaliando um universo de mil indivíduos diferentes, a avaliação percepção visual não é confiável”, explica Carlos Souza. Neste caso a medição dos teores de pigmentos torna-se uma importante ferramenta para auxiliar na seleção precoce dos indivíduos mais promissores. A segunda estação instalada em São Carlos medirá o teor de água na planta utilizando infravermelho próximo (NIR). “Teoricamente, quanto mais água uma planta consegue absorver e utilizar, mesmo sob uma condição de baixa disponibilidade hídrica no solo, maior é a adaptação para conviver com essa restrição imposta pelo ambiente”, resume Sousa.

A quinta frente de trabalho será a captura e processamento de imagens digitais para a reconstrução de figuras tridimensionais das plantas, utilizando visão computacional e modelagem. A partir dos modelos construídos em 3D, pode-se estimar a altura, a largura, o número de folhas, o ângulo de inserção das folhas, a área foliar individual e a área projetada da parte aérea das plantas. A grande vantagem dessa técnica é que os cientistas conseguem manter um modelo virtual da planta em qualquer estágio do desenvolvimento, possibilitando avaliações futuras dos parâmetros relacionados ao crescimento. O pesquisador Thiago Santos, da Embrapa Informática Agropecuária, explica que essa é uma forma inteligente de preservar as plantas geradas pelos programas modernos de engenharia genética.

Antecipação
Reinaldo Gomide, da Embrapa Milho e Sorgo, ressalta que as imagens tridimensionais também permitem identificar sinais de estresse antes do que conseguiria a percepção humana. A ferramenta possibilita, por exemplo, sobrepor duas imagens, evidenciando diferenças muito sutis entre plantas que se desenvolveram em condições normais e outras com deficiências hídricas. Com isso, é possível antecipar a seleção dos indivíduos mais promissores.

Além da economia de tempo, uma das principais vantagens desse sistema é a preservação das amostras. Métodos convencionais exigem a destruição das plantas, o que impede acompanhar o desenvolvimento delas. Com a fenômica, é possível não só reavaliá-las por meio das diversas imagens geradas, mas também continuar analisando-as à medida que crescem. Outros pontos a favor incluem a precisão das medidas e a possibilidade de automatização, o que permite a obtenção de um grande número de imagens em curto intervalo de tempo.

A maior parte da infraestrutura utilizada na pesquisa foi adquirida com recursos da Agência Brasileira de Inovação (Finep), destinados ao projeto “Genética reversa e fenotipagem de alta precisão aplicadas à descoberta de genes/características de importância para agroenergia”.