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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

Na passada sexta-feira, dia 26 de Agosto, o InPP recebeu a visita da Conselheira de Ação Exterior e Governo Aberto da Catalunha, Victòria Alsina, e do delegado do Governo da Catalunha em Portugal, Rui Reis, que se fizeram acompanhar pela Vereadora da Câmara Municipal de Elvas, Paula Calado.

Foram recebidos pelos diretores de departamento, David Learmonth, iLaria Marengo e Sandra Correia, que apresentaram as infraestruturas do InPP, os laboratórios, bem como as diferentes áreas de investigação que estão a ser exploradas pelos cinco departamentos do laboratório colaborativo.

Esta visita teve como objetivo criar e estabelecer novas parcerias e colaborações com esta comunidade autônoma da Espanha, um ator internacional fundamental para Portugal na sua vertente económica e científica, na qual as indústrias agroalimentares têm grande expressão. Estabelecer parcerias faz parte da filosofia do InPP e, portanto, esta visita permitiu explorar as valências de cada um dos envolvidos e encontrar pontos de sinergia, onde se pretendeu identificar áreas de interesse para possíveis parcerias e colaborações.

Durante a visita às instalações do InPP, a comitiva teve ainda a oportunidade de falar com alguns dos investigadores do InPP, que puderam explicar pessoalmente alguma da investigação que têm desenvolvido atualmente no InPP no combate às pragas e doenças emergentes das plantas.

Equipa do InnovPlantProtect (InPP) identifica os materiais mais promissores para encapsular agentes de proteção biológicos destinados ao controlo de pragas e doenças emergentes em culturas agrícolas. Os produtos naturais de origem animal, provenientes de fontes marinhas e terrestres, bem como os sintéticos, têm sido os mais utilizados, devido à sua baixa toxicidade e biodegradabilidade, concluem os investigadores num artigo de revisão sistemática agora publicado na revista científica ACS Agricultural Science & Technology. Mas será que estas soluções são escaláveis e economicamente viáveis?

Os agentes de proteção biológicos, microrganismos como bactérias, fungos ou biomoléculas com substâncias ativas capazes de prevenir ou controlar ou suprimir pragas e doenças em plantas, têm sido considerados alternativas mais sustentáveis aos pesticidas químicos tradicionais. No entanto, estes agentes são muito sensíveis às condições atmosféricas, e começam a degradar-se devido à humidade, temperatura e radiação solar.

Devido à sensibilidade das substâncias ativas, o desafio é desenvolver um material biodegradável e sustentável que envolva, i.e., que encapsule os agentes biológicos, protegendo-os, para que possam ser aplicados de forma eficaz nas culturas agrícolas mediterrânicas. O encapsulamento dos agentes biológicos traz várias vantagens para o produtor agrícola, nomeadamente a facilidade de manuseamento, a aplicação controlada de dosagens inferiores e menos frequentes, a maior especificidade para o alvo, uma estabilidade prolongada e maximização da permanência, o que leva a uma maior eficácia do agente biológico no combate a pragas e doenças.

Representação esquemática do processo de encapsulamento de um agente biológico para proteção de pragas em pêra

A equipa, do Departamento de Formulações e Desenvolvimento de Processos do InPP, reviu 98 artigos científicos, publicados entre 2013 e 2022, e concluiu que “a micro e nanoencapsulação dos agentes de proteção biológicos usando materiais provenientes de fontes marinhas, terrestres ou sintéticas devem fornecer aos produtores agrícolas acesso a produtos fitofarmacêuticos mais seguros e sustentáveis”. O artigo de revisão [1], intitulado Micro- and Nanocarriers for Encapsulation of Biological Plant Protection Agents: A Systematic Literature Review, acaba de ser publicado na revista científica ACS Agricultural Science & Technology.

Os quatro investigadores analisaram os estudos com vista a “identificar os materiais mais utilizados para encapsular os agentes biológicos para controlo de pragas e doenças com maior eficácia, maior atividade sistémica e menor impacto ambiental”. Os investigadores analisaram também os métodos e técnicas de encapsulamento que têm sido utilizados atualmente pelas equipas de investigação em várias partes do mundo.

“Os dados apresentados neste artigo indicam que materiais baseados em polímeros, de origem natural ou sintética, e materiais inorgânicos podem melhorar a estabilidade e o desempenho de uma ampla gama de substâncias ativas bioinspiradas”, afirmam os investigadores.

Contudo, a equipa alerta que “embora o interesse da investigação por estes materiais encapsulantes esteja a aumentar, o atual nível de conhecimento ainda não permite uma avaliação totalmente justa e imparcial dos prós e contras que surgirão do uso de sistemas micro e nano para encapsulamento dos agentes biológicos e seu uso na agricultura”, adiantando que “é necessário uma melhor compreensão do destino e da segurança a longo prazo destes produtos”.

“Embora as tecnologias apresentadas nesta revisão exibam perfis de eficácia e segurança promissores, é improvável que todas estas sejam escaláveis e transformáveis em soluções economicamente viáveis para os problemas agrícolas presentes e futuros. É necessária mais investigação e desenvolvimento de esforços contra pragas e doenças das culturas, tendo como foco as estratégias que verdadeiramente tenham em conta as necessidades dos agricultores nos campos agrícolas, pois só assim será possível criar-se inovação”, conclui a equipa.

Investigadores Cláudia Silva, Tânia Pinto, Sónia Siquenique e David Learmonth

Artigo original

Revista ACS Agricultural Science & Technology

Micro- and Nanocarriers for Encapsulation of Biological Plant Protection Agents: A Systematic Literature Review

Tânia Pinto, Cláudia Silva, Sónia Siquenique e David Learmonth

DOI: https://doi.org/10.1021/acsagscitech.2c00113

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

No dia 18 de Agosto, os investigadores do Departamento de Novos Biopesticidas do InnovPlantProtect (InPP), Pedro Rosa e Tiago Amaro, estiveram na bacia do Tejo/Sorraia, em Coruche e Porto Alto, em Samora Correia, para recolher amostras de arroz infectadas com o fungo Magnaporthe oryzae, causador da piriculariose. A amostragem foi realizada no âmbito do projeto BlaSTOP – Desenvolver soluções integradas para combater a piriculariose do arroz.

Já no passado dia 1 de Agosto, a equipa tinha estado na bacia do Mondego, em Montemor-o-Velho, para recolher amostras.

O projeto BlaSTOP visa o desenvolvimento de uma solução sustentável e eficaz para o controlo da piriculariose do arroz causada por este fungo. O projeto conta com o apoio do COTArroz – Centro Operativo e Tecnológico do Arroz e da Casa do Arroz, na bacia do Tejo, e da Aparroz – Agrupamento de Produtores de Arroz do Vale do Sado Lda, na bacia do Sado, onde a equipa espera fazer recolhas num futuro próximo.

Colheita de amostras na zona do Tejo, em Coruche e Porto Alto