Nova teoria avança no entendimento da interação de plantas no subsolo

Publicado na revista Science, modelo desenvolvido com base na teoria dos jogos contribui para estudos sobre a produtividade agrícola e mudanças climáticas

Maria Fernanda Ziegler  |  Agência FAPESP – Estudo de capa da revista Science da primeira semana de dezembro apresenta um modelo matemático sobre a distribuição espacial das raízes e a densidade radicular de uma planta. Com base na teoria dos jogos, o modelo prevê que, na presença de competidores, as plantas evitam entrar em disputa e produzem raízes para assegurar água e nutrientes próximos ao caule, evitando buscar recursos perto de suas vizinhas.

Além de avançar no entendimento teórico sobre a interação das plantas no subsolo, muito mais difícil de ser observada, o trabalho tem aplicações importantes no manejo agrícola e no entendimento das mudanças climáticas. “Ao entender a lógica de espalhamento das raízes e da massa radicular, é possível no futuro oferecer novas regras para a produção agrícola que levem em conta não só a disputa das plantas na superfície, mas também a competição por recursos no subsolo” diz Ricardo Martínez-García, professor no Instituto Sul-Americano para Pesquisa Fundamental (ICTP-SAIFR) e um dos autores do estudo.

“Dessa forma, se por um lado é interessante que o manejo considere a necessidade de espaçamento entre as plantas para que suas raízes não entrem em competição, é importante haver um distanciamento mínimo entre elas para que se otimize seu crescimento sem a necessidade de grandes extensões de terra. Do caule para cima, elas podem parecer distantes, mas por baixo do solo há um emaranhado de raízes que podem estar muito próximas e em disputa por nutrientes”, completa.

A pesquisa desenvolvida em colaboração com pesquisadores da Universidade de Princeton (EUA), do Instituto de Ciências Agrárias de Madri (Espanha) e da Universidade Rei Juan Carlos (Espanha) é apoiada pela FAPESP por meio de uma bolsa jovem pesquisador.

O maior entendimento sobre o desenvolvimento das raízes pode servir ainda como uma importante ferramenta para modelos climáticos globais. “As plantas capturam dióxido de carbono (CO2) da atmosfera e armazenam em raízes. É o chamado sequestro de carbono. Portanto, ampliar o conhecimento sobre a distribuição espacial das raízes no subsolo e sobre sua massa é importante também para estipular a quantidade de CO2 – um dos gases do efeito estufa – que as plantas conseguem absorver da atmosfera”, diz Martínez-García à Agência FAPESP.

Concorrer ou cooperar

Do ponto de vista teórico, de ciência básica, a nova teoria elucida uma antiga questão da ecologia. Por quase 20 anos, existiam duas hipóteses sobre a competição por nutrientes no solo. Alguns grupos de pesquisa afirmavam que uma planta que interagia com outras ao seu redor precisava produzir mais massa de raiz que uma planta isolada. Isso por causa da competição por recursos: quanto mais raiz, mais fácil e rápido absorver água e nutrientes do solo.

Outra hipótese, no entanto, dizia exatamente o contrário. “Eram estudos que analisavam apenas a área de abrangência das plantas no subsolo. E, de acordo com esses estudos, quanto mais concorrência de plantas vizinhas, menos espalhado seria o sistema radicular”, relata.

No entanto, tanto o modelo matemático como o estudo experimental divulgado na Science mostram que, embora contraditórias, as duas teorias anteriores estão corretas: as plantas tanto proliferam suas raízes perto do caule (aumentam a densidade radicular) quanto reduzem o espalhamento para evitar a sobreposição com o sistema radicular vizinho.

Teoria das raízes

Para confirmar a nova teoria, os pesquisadores realizaram modelos experimentais com mudas de pimentas cultivadas em estufas no Instituto de Ciências Agrárias de Madri, na Espanha. Tanto no modelo como na experimentação a equipe investigou situações em que as plantas cooperam e competem entre si.

Com origem nas ciências comportamentais, a teoria dos jogos busca prever as consequências de determinadas ações e decisões de pessoas, empresas ou países. Dessa forma, ao elaborar um modelo é possível incluir uma série de cenários que possam ser resolvidos por meio da matemática. O objetivo é prever, por exemplo, se dois jogadores, depois de realizar algumas ações e tomarem determinadas decisões, vão receber mais ou menos dinheiro como recompensa.

A teoria dos jogos é comum em áreas como economia, ciências sociais e também na ecologia. “No nosso caso, queríamos entender qual seria a distribuição de raízes esperada caso as plantas seguissem um comportamento colaborativo ou competitivo entre elas no processo de captura de recursos do solo”, diz.

Sendo assim, Martínez-García explica que, no caso do estudo sobre a raiz das plantas, a recompensa seriam os recursos obtidos do solo e cada tomada de decisão (o crescimento e espalhamento da raiz) teria como objetivo a capacidade da planta se reproduzir com maior eficiência.

“No lugar de analisar a estratégia de conseguir mais dinheiro entra a questão de como conseguir mais nutriente equilibradamente e, assim, conseguir obter os recursos do solo de uma maneira menos custosa. No nosso modelo, as ações das plantas, a maneira como elas ‘jogam’ é distribuindo mais ou menos a raiz no solo”, diz.

Poucos estudos nessa área conseguiram analisar ao mesmo tempo a quantidade total de raízes produzidas por plantas concorrentes e sua distribuição espacial em sistemas radiculares vizinhos. “É muito difícil estudar essa interação, até porque não conseguimos ver o subsolo. No nosso estudo, primeiro desenvolvemos a teoria matemática. Depois, analisamos modelos experimentais usando colorantes, para identificar de que planta era cada raiz. As analises experimentais confirmaram uma das hipóteses teóricas e mostraram claramente que a competição entre as plantas controla a distribuição espacial das raízes”, diz.

Os pesquisadores buscam agora aprofundar esse conhecimento. “Foi um estudo que gerou mais perguntas que o nosso questionamento inicial, o que é muito bom para um pesquisador”, diz. Os próximos passos da pesquisa incluem estudar as interações envolvendo sistemas com mais de duas plantas, além de investigar diferentes espécies em condições climáticas distintas.

“Com o estudo conseguimos ter uma ideia de mecanismos e entender os padrões espaciais das raízes. Agora que desenvolvemos um modelo matemático sobre a lógica dessas interações a ideia é aprofundar, agregar mais variáveis e entender como é feita essa interação com mais plantas e entre diferentes espécies, por exemplo”, conclui.

O artigo The exploitative segregation of plant roots (doi:10.1126/science.aba9877), de Ciro Cabal, Ricardo Martínez-García, Aurora de Castro Aguilar, Fernando Valladares, Stephen W. Pacala, pode ser lido em https://science.sciencemag.org/content/370/6521/1197.

Na mesma semana, a Science Advanced destacou outro estudo financiado pela FAPESP sobre o uso de fármaco que atenuou o ganho de peso em animais alimentados com dieta rica em gordura (leia mais em: https://agencia.fapesp.br/34748/).