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Each year, crop diseases cause devastating losses in agricultural production, threatening food security and the livelihoods of millions of farmers. In the heart of Alentejo, an innovative project is harnessing the power of genomics to help combat these invisible threats. The AlViGen Project, with the participation of InnovPlantProtect researchers Rute Rego and João Bilro, is paving the way for a new era of crop surveillance and protection.

The Problem and the Solution

“Yellow rust in wheat and olive quick decline syndrome are real scourges for farmers,” explains Rute Rego, a researcher at AlViGen. “These diseases can decimate entire harvests, leading to severe economic losses and compromising food quality.”

But AlViGen is not limited to observing the problem. The team is using cutting-edge technology to detect and identify the strains of fungi that cause these diseases, long before the symptoms become visible.

“We use traps to collect spores circulating in the air,” Rute continues. “These traps allow us to monitor the presence of fungi in real-time, which gives us an important advantage in preventing infections.”

But the magic happens in the laboratory, where the team extracts the DNA from the spores and performs advanced genomic analyses, using powerful DNA sequencing technology based on the metabarcoding method, carried out with cutting-edge technology like the portable Nanopore sequencer.

Rute Rego, a researcher at InnovPlantProtect, analyzes samples of the fungus causing olive quick decline syndrome as part of the AlViGen project.

Unraveling the Genetic Code of Fungi

To better explain what metabarcoding is and its advantage in detecting the presence of species or strains of fungi that cause diseases in crops, the researcher gives the example of a bag full of different types of grains – rice, beans, corn – being analyzed by the reader. “Metabarcoding is like placing a unique label (a ‘barcode’) on each type of grain. Then, you can mix all the grains in a single sample, and by reading the labels, you can identify the quantity of each type of grain present.'”

In the case of AlViGen, this technique allows for the analysis of multiple fungal species simultaneously (in multiple samples), each with its own genetic ‘barcode,’ and to ‘identify exactly which fungi are present, even in small quantities,'” the researcher explains.

And what is the practical impact of this method for monitoring and predicting disease? The AlViGen project researcher can identify, with high precision, the moment when the pathogenic agent begins to appear in the field, which makes it possible to alert farmers in real-time about the risk of disease. Producers can adopt preventative measures and apply the necessary products to avoid infection, contributing to a rapid and effective response in disease prevention.

The Timeline of Fungal Evolution

AlViGen’s research is not limited to identifying the microorganisms harmful to crops; it also seeks to understand their evolution and diversity. João Bilro, another researcher on the project, is dedicated to studying the phylogeny of the Colletotrichum fungus, a microorganism responsible for causing olive anthracnose or blight, a disease that affects olive groves in Portugal. This disease mainly affects the olives, which compromises the quality of the olive oil.

“Phylogeny is crucial for understanding how the different strains of Colletotrichum are related and how they have evolved over time,” João explains. “Just as a family tree traces the history of a family, showing how members are related to each other, phylogenetic trees reveal the evolutionary relationships between the different strains of this fungus. Each branch of the tree represents an evolutionary lineage, and the nodes indicate common ancestors. By comparing the DNA sequences of these strains, we can reconstruct their evolutionary history, identifying which are genetically closer or more distant, and thus infer characteristics such as virulence or resistance to fungicides,” he reveals.

This knowledge allows researchers to identify patterns of dissemination and adaptation of the fungus, which is fundamental for developing more effective strategies to contain and/or reduce the damage this fungus causes to Portuguese olive groves.

“Um dos desafios da nossa investigação é a grande diversidade genética do Colletotrichum,” admite João. “No entanto, ao desvendar os seus segredos evolutivos, estamos a abrir caminho para o desenvolvimento de métodos de deteção e controlo mais precisos e direcionados.”

Left photo: João Bilro, a bioinformatician at InnovPlantProtect, studying the phylogeny of the Colletotrichum fungus within the scope of the AlViGen project; Right photo: Rute Rego and João Bilro discuss ideas about the AlViGen project.

The Future of Agriculture Starts Here

The AlViGen Project aims to have a significant impact on the agricultural landscape, especially in Alentejo, a region with a strong agricultural tradition. By providing farmers with early detection tools and precise information about the microorganisms that cause crop diseases, the project intends to aid in decision-making, allowing farmers to protect their crops and reduce production losses.

“Our ultimate goal is to empower farmers with the knowledge and tools they need to protect their crops sustainably,” states Rute. “We believe that genomic surveillance is a key tool for the future of crop protection.”

João Bilro agrees and adds, “Continuous research is fundamental to keep up with the evolution of harmful microorganisms and to develop new, consistently effective control strategies. In the future, we hope to expand the scope of AlViGen to include other microorganisms and crops, and to make genomic surveillance an accessible tool for all farmers.”

Science at the Service of Agriculture

The AlViGen Project, supported by the Promove Program of the “la Caixa” Foundation, in partnership with Banco BPI and the Foundation for Science and Technology (FCT), is an inspiring example of how science and technology can be applied to solve real-world problems and transform agriculture. By unraveling the genetic secrets of crop microorganisms, Rute Rego and João Bilro are paving the way for a safer, more sustainable, and resilient agriculture.

The fight against crop diseases continues, but with AlViGen, farmers can finally see the enemy before it becomes visible.

A cada ano, as doenças das culturas causam perdas devastadoras na produção agrícola, ameaçando a segurança alimentar e o sustento de milhões de agricultores. No coração do Alentejo, um projeto inovador está a usar o poder da genómica para ajudar a combater essas ameaças invisíveis. O Projeto AlViGen, que conta com a participação dos investigadores do InnovPlantProtect, Rute Rego e João Bilro, está a abrir caminho para uma nova era de vigilância e proteção das culturas.

O Problema e a Solução

“A ferrugem amarela no trigo e a gafa do olival são verdadeiros flagelos para os agricultores”, explica Rute Rego, investigadora do AlViGen. “Estas doenças podem dizimar colheitas inteiras, levando a perdas económicas severas e comprometendo a qualidade dos alimentos.”

Mas o AlViGen não se limita a observar o problema. A equipa está a usar tecnologia de ponta para detetar e identificar as estirpes dos fungos causadores destas doenças, muito antes de os sintomas se tornarem visíveis.

“Utilizamos armadilhas para recolher esporos que circulam no ar,” continua Rute. “Estas armadilhas permitem-nos monitorizar a presença dos fungos em tempo real, o que nos dá uma vantagem importante na prevenção de infeções.”

Mas a magia acontece no laboratório, onde a equipa extrai o DNA dos esporos e realiza análises genómicas avançadas, recorrendo a tecnologia poderosa de sequenciação de DNA, baseada no método de metabarcoding, realizada com tecnologia de ponta como o sequenciador portátil Nanopore.

Rute Rego, investigadora do InnovPlantProtect, analisa amostras do fungo causador da gafa, no âmbito do projeto AlViGen

Desvendar o Código Genético dos Fungos

Para explicar melhor o que é o metabarcoding e a sua vantagem para detetar a presença de espécies ou estirpes de fungos causadores de doenças nas culturas, a investigadora dá o exemplo de um saco cheio de diferentes tipos de grãos: arroz, feijão, milho que está a ser analisado pelo leitor. “O metabarcoding é como colocar uma etiqueta única (um ‘código de barras’) em cada tipo de grão. Depois, pode misturar todos os grãos numa única amostra e, ao ler as etiquetas, consegue identificar a quantidade de cada tipo de grão presente.”

No caso do AlViGen, esta técnica permite analisar mútiplas espécies de fungos ao mesmo tempo (em múltiplas amostras), cada uma com o seu ‘código de barras’ genético e “identificar exatamente quais os fungos presentes, mesmo em pequenas quantidades”, explica a investigadora.

E qual é o impacto prático deste método para monitorizar e prever a doença? A investigadora do projeto AlViGen consegue identificar, com alta precisão, o momento em que o agente patogénico começa a surgir no campo, o que possibilita alertar os agricultores em tempo real sobre o risco da doença. Os produtores podem adotar medidas preventivas e aplicar os produtos necessários para evitar a infeção, contribuindo para uma resposta rápida e eficaz na prevenção de doenças.

A Linha do Tempo da Evolução dos Fungos

A investigação do AlViGen não se limita a identificar os microrganismos prejudiciais às culturas; também procura compreender a sua evolução e diversidade. João Bilro, outro investigador do projeto, dedica-se ao estudo da filogenia do fungo Colletotrichum, um microrganismo responsável por causar a gafa ou antracnose, uma doença que afeta o olival em Portugal. Esta doença afeta sobretudo as azeitonas, o que compromete a qualidade do azeite.

“A filogenia é crucial para compreender como as diferentes estirpes de Colletotrichum estão relacionadas e como evoluíram ao longo do tempo,” explica João. “Assim como uma árvore genealógica traça a história de uma família, mostrando como os membros estão relacionados uns aos outros, as árvores filogenéticas revelam as relações evolutivas entre as diferentes estirpes deste fungo. Cada ramo da árvore representa uma linhagem evolutiva, e os nós indicam os ancestrais comuns. Ao comparar as sequências de DNA dessas estirpes, podemos reconstruir sua história evolutiva, identificando quais são mais próximas ou distantes geneticamente, e assim, inferir sobre características, como a virulência ou resistência a fungicidas”, revela.

Este conhecimento permite aos investigadores identificar padrões de disseminação e adaptação do fungo, o que é fundamental para desenvolver estratégias mais eficazes para conter e/ou reduzir os danos que este fungo causa aos olivais portugueses.

“Um dos desafios da nossa investigação é a grande diversidade genética do Colletotrichum,” admite João. “No entanto, ao desvendar os seus segredos evolutivos, estamos a abrir caminho para o desenvolvimento de métodos de deteção e controlo mais precisos e direcionados.”

Foto da esquerda: João Bilro, bioinformático do InnovPlantProtect, a estudar a filogenia do fungo Colletotrichum no âmbito do projeto AlViGen; Foto da direita: Rute Rego e João Bilro debatem ideias acerca do projeto AlViGen

O Futuro da Agricultura Começa Aqui

O Projeto AlViGen pretende ter um impacto significativo no panorama agrícola, especialmente no Alentejo, uma região com forte tradição agrícola. Ao fornecer aos agricultores ferramentas de deteção precoce e informação precisa sobre os microrganismos causadores de doenças nas culturas, o projeto pretende ajudar na tomada de decisões, permitindo aos agricultores proteger as suas culturas e reduzir as perdas de produção.

“O nosso objetivo final é capacitar os agricultores com o conhecimento e as ferramentas de que necessitam para proteger as suas culturas de forma sustentável,” afirma Rute. “Acreditamos que a vigilância genómica é uma ferramenta chave para o futuro da proteção das culturas.”

João Bilro concorda e acrescenta: “A investigação contínua é fundamental para acompanhar a evolução dos microrganismos prejudiciais e desenvolver novas estratégias de controlo sempre eficazes. No futuro, esperamos expandir o âmbito do AlViGen para incluir outros microrganismos e culturas, e tornar a vigilância genómica uma ferramenta acessível a todos os agricultores.”

A Ciência ao Serviço da Agricultura

O Projeto AlViGen, que conta com o apoio do Programa Promove da Fundação “la Caixa”, em parceria com o Banco BPI e a Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), é um exemplo inspirador de como a ciência e a tecnologia podem ser aplicadas para resolver problemas reais e transformar a agricultura. Ao desvendar os segredos genéticos dos microrganismos das culturas, Rute Rego e João Bilro estão a abrir caminho para uma agricultura mais segura, sustentável e resiliente.

O combate às doenças das culturas continua, mas com o AlViGen, os agricultores podem finalmente ver o inimigo antes deste se tornar visível.

No passado dia 13 de maio, a equipa do projeto AI4Leafhopper apresentou a nova aplicação iCountPests, uma solução inovadora que recorre à Inteligência Artificial (IA) para detetar e contar cigarrinhas-verdes em armadilhas cromotrópicas — de forma rápida, precisa e em tempo real.

Desenvolvida como uma aplicação móvel intuitiva, a iCountPests foi pensada para facilitar a monitorização de diversas pragas agrícolas. Com uma interface simples e acessível, permite ao utilizador registar a evolução das pragas nas suas culturas através da submissão de fotografias das armadilhas instaladas no campo.

A aplicação utiliza modelos avançados de visão computacional para a deteção automática e contagem de insetos, entregando resultados em cerca de um minuto — um processo muito mais rápido e prático face à contagem manual tradicional.

Na sua primeira versão, a app conta já com um modelo de deteção da cigarrinha-verde (Jacobiasca lybica), atingindo uma precisão média de aproximadamente 90%. Em breve, serão adicionadas funcionalidades para identificar outras pragas relevantes, como a traça-dos-cachos (Cryptoblabes gnidiella) e a traça-da-uva (Lobesia botrana).

Além da contagem automática, a iCountPests permite acompanhar a evolução das populações de pragas ao longo do tempo, facilitando a identificação de tendências e o planeamento de intervenções mais eficazes.

Este projeto resulta do trabalho conjunto de uma equipa multidisciplinar, que alia competências em ecologia, entomologia, inteligência artificial, visão computacional, deteção remota e desenvolvimento de software, com o objetivo de tornar a monitorização de pragas mais simples, precisa e acessível.

Durante a sessão de apresentação, foi possível ouvir as opiniões e sugestões dos futuros utilizadores da aplicação. Estes contributos são fundamentais para continuarmos a melhorar a ferramenta e assegurarmos que responde, de forma prática, às necessidades reais dos agricultores e técnicos do setor. Queremos desenvolver soluções que evoluam com a agricultura!

A inovação está no centro de tudo o que fazemos e o nosso lema é claro:
“Inovar juntos, proteger melhor.”

Se deseja saber mais sobre a iCountPests, contacte-nos através do email:
📩 apps@iplantprotect.pt

Créditos de imagens: InnovPlantProtect

EVENTOS

Laboratório colaborativo de Elvas distinguido pela Vida Rural como “o investimento mais relevante no último ano no setor agrícola e agroindustrial”.

“Investimento que Marca” 2021 é o nome do prémio atribuído hoje ao InnovPlantProtect pela Vida Rural. A distinção, conferida pela redação da revista profissional de agronegócios, notabiliza o investimento mais relevante no último ano no setor agrícola e agroindustrial, a nível nacional.

A escolha do laboratório colaborativo (CoLab), com sede em Elvas, “pretende reforçar a importância do investimento em investigação e inovação numa área determinante para o futuro da agricultura: a procura de soluções de base biológica para a proteção de culturas, num contexto desafiante, em que é preciso assegurar a produção de alimentos de forma cada vez mais sustentável”, explica Isabel Martins, diretora da Vida Rural e coordenadora de publicações da IFE.

Este galardão “premeia a iniciativa dos 12 sócios fundadores de criar uma instituição inovadora para desenvolver soluções biológicas e digitais para a proteção de culturas”, sublinha Pedro Fevereiro, diretor executivo do CoLab, adiantando: “É um incentivo para o InnovPlantProtect, que se instalou numa região de baixa densidade e que conseguiu atrair 38 recursos humanos altamente qualificados para instalar uma unidade de inovação moderna. Premeia ainda a visão do município de Elvas, que desde a primeira hora abraçou este desafio.”

O prémio “Investimento que Marca” 2021 foi entregue no decorrer da 8ª edição do AgroIn – Congresso Anual de Agronegócios, organizado pela Vida Rural/ IFE, realizada no auditório da Faculdade de Medicina Dentária da Universidade de Lisboa.

Equipa do InPP, à semelhança de cientistas em todo o mundo, conclui que novas técnicas permitem mitigar os desafios impostos pelas alterações climáticas e pelo continuado aumento da população mundial.

Sabemos que, para alimentar a população mundial em 2050, teremos de aumentar a produção de alimentos em 70% [1]. E sabemos também que a agricultura está sob intensa pressão para cumprir as metas de sustentabilidade do Pacto Ecológico Europeu e da Estratégia do Prado ao Prato, pressionada pelas alterações climáticas, e pelo aumento das pragas e doenças que atacam as culturas.

Uma equipa do InnovPlantProtect (InPP) reviu centenas de artigos científicos, publicados nos últimos anos, e concluiu que “a edição genómica é um instrumento importante para melhorar a segurança alimentar de forma sustentável, e mitigar os desafios impostos pelas alterações climáticas globais e pela expansão da população mundial”. O artigo de revisão [2], intitulado Genome editing for resistance against plant pests and pathogens, acaba de ser publicado na Transgenic Research.

“O desenvolvimento de novas ferramentas para melhorar a proteção de plantas é crítico no contexto dos atuais desafios agrícolas, ambientais e ecológicos”, afirmam os investigadores, adiantando que “diversos esforços na área da edição genómica deram origem a plantas com características potencialmente benéficas, que podem ser rápida e facilmente aplicadas no terreno”.

As culturas estão invariavelmente expostas a pragas e doenças (esquerda). No sentido de acelerar o processo de melhoramento de plantas, as tecnologias de edição de genoma, como o CRISPR-Cas, permitem introduzir mecanismos de resistência ou remover suscetibilidade de forma rápida e precisa (direita).

A equipa analisou os avanços mais recentes na edição genómica com vista à melhoria da proteção de plantas, centrando-se na edição dos genomas de culturas, pragas e agentes patogénicos baseada na técnica CRISPR-Cas (Prémio Nobel da Química em 2020). Os investigadores não esqueceram outras tecnologias, como o silenciamento genético induzido pelo hospedeiro (HIGS, na sigla inglesa) e a utilização de agentes de biocontrolo, discutindo de que forma se pode tirar partido do CRISPR-Cas para acelerar o desenvolvimento de estratégias ecológicas que promovam uma agricultura sustentável no futuro.

[O HIGS consiste na produção, pela planta, de pequenas moléculas de RNA (sigla inglesa de ácido ribonucleico), que levam ao silenciamento de genes do agente patogénico; silenciar um gene significa “anular” a sua expressão.]

Como a edição genómica não requer cruzamentos, sublinham os autores do artigo, evita a introdução de características indesejadas através da ligação genética (situação em que um gene com uma característica positiva está fisicamente ligado a um gene que confere características negativas) em variedades melhoradas, acelerando todo o processo de melhoramento.

Além disso, as tecnologias de edição genómica podem visar diretamente os genes de suscetibilidade ou os fatores de virulência de pragas e agentes patogénicos, seja através da edição direta do genoma da praga em questão, ou adicionando mecanismos de edição genómica ao genoma da planta, ou a micro-organismos que atuem como agentes de biocontrolo.

Vários estudos analisados demonstram que a inativação direcionada de genes de suscetibilidade através da edição genómica é uma estratégia sólida para a proteção de culturas, capaz de produzir plantas não transgénicas. A técnica mostrou-se sobretudo eficiente na edição de genes de suscetibilidade a bactérias e fungos patogénicos.

“O impacto potencial da edição genómica, e da tecnologia CRISPR em particular, na biologia sintética de plantas para melhorar a resistência a pragas e doenças é enorme e terá um efeito direto na sustentabilidade agrícola, numa escala nunca antes vista”, conclui a equipa.

Artigo original:

Rato, C., Carvalho, M.F., Azevedo, C. & Oblessuc, Paula. Genome editing for resistance against plant pests and pathogens. Transgenic Research (2021). https://doi.org/10.1007/s11248-021-00262-x

[1] How to Feed the World in 2050, FAO expert paper

[2] Num artigo de revisão, os investigadores efetuam uma síntese crítica daquilo que já foi estudado e publicado por outros cientistas.

Câmara Municipal de Elvas promove visita às obras em curso no InnovPlantProtect e no pólo elvense do Instituto Nacional de Investigação Agrária e Veterinária.

As obras em curso no INIAV Elvas, incluindo as que permitirão acomodar as instalações definitivas do InnovPlantProtect (InPP), foram ontem, 16 de junho, visitadas por uma comitiva que integrou o presidente da Câmara Municipal de Elvas, Nuno Mocinha, o vice-presidente da autarquia, Cláudio Carapuça, e vários técnicos camarários, presidentes de juntas de freguesia do concelho e representantes de órgãos de comunicação social.

O InPP é uma instituição que se quer perdurável, por muitos e muitos anos, não um “projeto a prazo”, frisou o diretor executivo do laboratório colaborativo (CoLab). Pedro Fevereiro destacou também o facto de a investigação e inovação aqui realizadas “saírem” do laboratório para o campo, sob a forma de produtos e serviços específicos, de base biológica, fornecidos às empresas, agricultores e produtores, entre outros.

Nuno Mocinha sublinhou a elevada importância do CoLab para a agricultura e para a região, nomeadamente graças à fixação de trabalhadores altamente qualificados, e dedicados à ciência e tecnologia aplicadas no terreno.

A visita realizou-se no âmbito de um périplo promovido pela CME a algumas obras em curso no concelho.