OLHARES PARA 2030

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Dario Grattapaglia

Dario Grattapaglia

A biotecnologia e a genômica de espécies florestais no desenvolvimento sustentável das florestas no futuro

Alinhamento com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS)

ODS 15 - Vida terrestre

Introdução


As florestas estão entre os ecossistemas mais produtivos do mundo cobrindo 30% da área terrestre do nosso planeta, ou quase 4 bilhões de hectares, e são essenciais para o bem-estar humano, o desenvolvimento sustentável e a saúde do planeta. Cerca de 1,6 bilhão de pessoas, ou 25% da população global, dependem diretamente das florestas para subsistência, emprego e geração de renda. Infelizmente, entretanto, as florestas do nosso planeta continuam ameaçadas por um uso insustentável, degradação ambiental, urbanização rápida, pressão populacional e impactos das mudanças climáticas. Entre 2010 e 2015, a área florestal mundial registrou uma queda líquida de 3,3 milhões de hectares por ano. O manejo sustentável das florestas naturais e plantadas é portanto vital para a implementação integrada da Agenda para o Desenvolvimento Sustentável da ONU de 2030. Tendo em vista o papel das florestas no bem- estar humano de uma forma ampla,  sua manutenção participa efetivamente no alcance de todos os 17 objetivos globais de uma forma ou de outra, embora mais especificamente no objetivo 15 que prevê “Manejar de forma sustentável as florestas, combater a desertificação, parar e reverter a degradação da terra, e interromper a perda de biodiversidade”.


O plano estratégico das nações unidas para florestas 2017-2030 fornece um quadro global de ações em todos os níveis para gerenciar de forma sustentável todos os tipos de florestas de forma a interromper o desmatamento e a degradação florestal. No coração deste plano estratégico foram definidos seis objetivos florestais globais e 26 metas voluntárias e universais a serem atingidas até 2030. Nesta breve discussão, é destacado o papel que o avanço da biotecnologia e das ciências genômicas poderão ter na consecução de algumas dessas metas.


O papel-chave das florestas naturais e plantadas


Nas últimas décadas, uma mudança importante vem ocorrendo na forma como a sociedade enxerga o papel essencial e complementar das florestas naturais e plantadas. Enquanto as amplas coberturas de florestas naturais constituem reservatórios-chave de biodiversidade terrestre, fornecendo serviços ambientais de longo alcance, as florestas plantadas são fontes essenciais de biomassa lenhosa produzida de forma eficiente com o uso de tecnologias silviculturais avançadas. Espécies florestais de rápido crescimento, plantadas seguindo princípios e práticas de sustentabilidade e padrões de certificação florestal, suprem hoje a demanda por produtos derivados da madeira que de outro modo viriam da exploração ainda mais intensa das florestas naturais, principalmente nos trópicos. Além disso, a contribuição das florestas plantadas tem sido cada vez mais reconhecida no sequestro de carbono, na recuperação de áreas degradadas e no fornecimento de serviços ecossistêmicos e ambientais locais como a manutenção do ciclo hidrológico e conservação de solos.


Com um total de apenas 278 milhões de hectares, cerca de 8% de toda a área florestal no planeta e apenas 2% do uso da terra, as florestas plantadas fornecem mais de 70% da matéria-prima para produtos de madeira sólida, fibra e energia no mundo. É importante destacar que a madeira é a matéria-prima renovável mais versátil e ecológica da Terra, e embora substitutos de madeira como o aço e o plástico tenham se tornado cada vez mais competitivos em termos de custos, eles exigem uma quantidade de energia dez vezes maior a partir de combustíveis fósseis para serem produzidos em comparação com a madeira. A menos que o mundo desenvolva uma nova fonte de energia que seja barata, renovável e ambientalmente equilibrada, não há energia disponível no mundo para permitir uma significativa substituição da madeira. A crescente demanda por madeira, ao mesmo tempo que se pretenda preservar e recuperar áreas de florestas naturais, somente poderá ser satisfeita pelo estabelecimento contínuo de florestas plantadas tecnologicamente avançadas e sustentáveis.


Biotecnologia e genômica florestal


A biotecnologia florestal envolve um amplo arsenal de tecnologias moleculares, incluindo a caracterização e manipulação genética, a análise de variação na sequência do DNA e a clonagem de árvores. O foco central da biotecnologia e genômica florestal tem sido o entendimento dos mecanismos genéticos, bioquímicos, moleculares e celulares envolvidos no crescimento da árvore, na formação da madeira e na resistência ou tolerância a estresses bióticos e abióticos que afetam a saúde da floresta. Tecnologias genômicas de alto desempenho buscam em última análise a compreensão das relações complexas entre variabilidade genética em nível de sequência de DNA e a ampla diversidade fenotípica observada em árvores e florestas. A genômica contrasta com a abordagem de biologia molecular tradicional baseada no estudo de um ou poucos genes de cada vez, por permitir a análise em paralelo de milhares de genes ou mesmo de genomas inteiros de um organismo.


A biotecnologia florestal tem sido geralmente associada a demandas e aplicações voltadas para o melhoramento genético visando o aumento da produtividade e qualidade das florestas plantadas. De fato, o grande impulso na evolução da biotecnologia florestal nos últimos 20 anos foi motivado predominantemente na busca e entendimento da ação de genes envolvidos no controle da produção de celulose e lignina por um lado, e na utilização de marcadores moleculares para acelerar os ciclos de melhoramento genético e a otimização de metodologias de propagação clonal. Na área de florestas naturais a análise de marcadores moleculares tem sido utilizada para descrever a distribuição da variabilidade dentro e entre populações, monitorar processos importantes de fluxo gênico, hibridação, migração e sistemas de acasalamento e desvendar relações filogenéticas entre espécies em nível molecular. O conhecimento desses atributos é útil para orientar estratégias de manejo, restauração, coleta e conservação de espécies e populações, priorizar áreas de conservação, identificar populações em risco e estabelecer a base jurídica para a proteção de espécies ameaçadas de extinção.


Perspectivas da biotecnologia e genômica florestal aplicadas a florestas naturais


Com a disrupção tecnológica e redução abrupta de custos de sequenciamento e genotipagem de DNA que ocorreram nos últimos anos, o impacto da biotecnologia florestal terá um alcance cada vez maior. Abordagens experimentais envolvendo o sequenciamento completo de genomas e a geração de plataformas que permitem a análise genômica de milhares de indivíduos simultaneamente serão cada vez mais aplicadas não apenas a espécies florestais industriais de Eucalyptus e Pinus mas também a várias espécies-chave que compõem os ecossistemas florestais naturais. A genômica populacional aplicada a florestas naturais vem evoluindo rapidamente na compreensão da arquitetura genética de características complexas determinantes da adaptação local de populações florestais, fornecendo marcadores preditivos do potencial adaptativo principalmente diante das mudanças climáticas. A biotecnologia aplicada a florestas naturais também terá impacto no entendimento dos processos de sequestro e estocagem de carbono pelas árvores em interação com comunidades microbianas no solo e o monitoramento de pragas e doenças florestais. Embora árvores continuarão a ser o foco principal, outros organismos da floresta serão objeto de estudo no contexto das interações ecológicas que determinam o funcionamento da floresta. A disponibilidade crescente de genomas sequenciados de espécies-chave vai permitir uma nova compreensão dos mecanismos moleculares da composição da comunidade e dos processos ecossistêmicos. Este avanço poderá alterar drasticamente a visão da estrutura e evolução das comunidades e dos ecossistemas florestais.


Perspectivas da biotecnologia e genômica florestal aplicada a florestas plantadas


É consenso hoje que o melhoramento genético florestal tornou-se um elemento competitivo chave das operações industriais de base florestal intensiva em todo o mundo, fornecendo clones e sementes geneticamente superiores que aumentam consideravelmente o valor econômico das florestas plantadas. Independentemente da espécie-alvo e objetivos industriais, os programas de melhoramento florestal enfrentam um desafio comum: a longa duração de um ciclo de melhoramento, que pode levar vários anos ou mesmo décadas. O intervalo de tempo prolongado entre o investimento em melhoramento e a efetiva utilização do material selecionado na floresta e na fábrica torna o empreendimento suscetível a mudanças nas demandas de mercado, objetivos de negócios e políticas de gestão. Foi na perspectiva de acelerar o melhoramento via seleção ultraprecoce ou pela geração de árvores geneticamente modificadas para propriedades específicas, que as tecnologias de análise genômica despertaram a atenção do setor florestal de base industrial. As perspectivas de utilizar a genômica no melhoramento e biotecnologia florestal foram os principais “drivers” para a execução de projetos genoma de espécies florestais que resultaram no sequenciamento completo do genoma das principais espécies florestais plantadas no mundo.


Numa primeira fase da biotecnologia florestal, os esforços foram no sentido de descobrir e manipular genes individuais, caminho este que se mostrou improdutivo devido ao grande número e à complexidade das interações dos genes envolvidos no controle das características- alvo do melhoramento. Alguns avanços foram feitos na produção de árvores transgênicas com propriedades alteradas na constituição da lignina, mas que não chegaram ao mercado seja por questões de biossegurança, seja por não apresentar até hoje vantagem competitiva clara em relação aos materiais gerados via melhoramento convencional.


Nos últimos anos, entretanto, duas tecnologias vêm mudando este panorama. Na esteira dos avanços das tecnologias genômicas, a primeira delas é a Seleção Genômica Ampla (SGA) que permite capturar e monitorar em modelos preditivos o efeito genético do genoma todo e assim estimar o valor genômico de um indivíduo. A SGA, além de encurtar os ciclos de melhoramento por permitir selecionar árvores elite quando ainda no estágio de plântulas no viveiro, abre a possibilidade de aumentar radicalmente a intensidade de seleção, reduzir o esforço de testes de campo e melhorar a precisão de seleção para características de baixa herdabilidade como crescimento volumétrico e tolerância a seca, ou de expressão tardia como densidade da madeira. Com base em diversos resultados já alcançados, a perspectiva concreta é de que empresas de base florestal utilizarão de forma crescente a genotipagem de marcadores SNPs (single nucleotide polymorphisms) não apenas para a seleção de cultivares elite mas também para o gerenciamento global dos seus programas de melhoramento e manejo de florestas plantadas. A segunda tecnologia que promete alterar radicalmente as perspectivas de manipulação direta de genes em árvores é a edição genômica de dezenas ou mesmo centenas de genes. O desenvolvimento da edição genômica vem ocorrendo a passos largos em plantas na medida que novos métodos e tecnologias surgem a cada momento e um maior avanço em espécies florestais será uma questão de tempo. O sucesso dessa abordagem vai depender, entretanto, de maior investimento no sequenciamento e anotação de genomas das principais espécies plantadas, do desenvolvimento de metodologias mais eficientes de transformação e regeneração in vitro e principalmente do sucesso de projetos de descoberta de genes via estudos de associação e seleção genômica, uma vez que a edição genômica depende fundamentalmente de se ter genes ou sequências reguladoras-alvo bem definidas para edição.


Conclusões


Florestas naturais e plantadas exercem e terão um papel cada vez mais importante na mitigação dos impactos de episódios extremos relacionados com as mudanças climáticas, o aquecimento global e aumento de CO2 na atmosfera. Em vista disso, a manutenção, restauração e plantio de florestas serão elementos-chave para o alcance dos objetivos globais de desenvolvimento sustentável da ONU. As abordagens da biotecnologia e das ciências genômicas serão aplicadas a um número cada vez maior de espécies florestais e organismos com os quais elas interagem nos complexos ecossistemas florestais mundiais, com um grande potencial de contribuir nesta jornada. É fundamental, entretanto, que os investimentos em biotecnologia florestal sejam conduzidos de forma inteligente, cientificamente direcionados e devidamente integrados aos esforços nas áreas de manejo e silvicultura, sempre atentos aos aspectos dos valores sociais e conservacionistas ligados ao uso da terra e das florestas, buscando segurança biológica, ambiental e sustentabilidade a longo prazo para o bem maior da sociedade e do planeta.

 

Dario Grattapaglia

Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa)

Dario Grattapaglia é pesquisador científico da EMBRAPA desde 1994 e professor nos programas de pós-graduação de Ciências Genômicas da Universidade Católica de Brasília desde 2000 e biologia molecular na Universidade de Brasília desde 1996. Graduado em engenharia florestal pela Universidade de Brasília (1985), recebeu seu Ph.D. em Genética (co-major Forestry) da North Carolina State University em 1994, e foi eleito para a sociedade de honra acadêmica Phi Kappa Phi em 1992. Sua principal área de pesquisa envolve a genômica aplicada à genética e melhoramento de espécies florestais e frutíferas e a genética populacional e conservação de árvores tropicais. Foi o criador e líder do projeto Genolyptus, uma rede brasileira público-privada de pesquisa genômica do eucalipto (2002-2008) envolvendo 14 empresas e 7 Universidades além da Embrapa, que alavancou a integração da genômica aplicada nos programas de melhoramento florestal de empresas do pais. Entre 2007 e 2013 foi líder do projeto internacional de sequenciamento do genoma de Eucalyptus e em 2015 desenvolveu o primeiro chip de genotipagem de alto desempenho para espécies de Eucalyptus, hoje amplamente adotado em todo o mundo. Treinou mais de 40 estudantes de pós-graduação, atua como associado de importantes revistas internacionais (Tree Genetics & Genomes, Heredity) e contribui como consultor científico para diversas agências de financiamento no Brasil (CNPq, Capes, Fapesp, FAP-DF) e no exterior (USDA, NSF, Genome Canada, France Genomique, Australian Research Council). Publicou mais de 130 artigos científicos e capítulos de livros (fator H=36) e recebeu vários prêmios de pesquisa e ensino, entre eles o Prêmio Frederico Menezes da Veiga pela Embrapa em 2011, ano internacional das florestas, e o Prêmio internacional “Forest Biotechnologist of the Year” em 2016 do Institue of Forest Biosciences, EUA, por suas contribuições na área de genética e genômica florestal. Foi eleito membro da Academia Brasileira de Ciências em 2012.