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As plantas formam alianças com micróbios no solo em que crescem. As leguminosas, por exemplo, se beneficiam de uma relação simbiótica com micróbios que habitam nódulos em suas raízes e “fixam” nitrogênio na atmosfera para disponibilizá-lo para promover o crescimento das leguminosas. Mas os micróbios são sempre benéficos para as plantas? Ou a competição entre cepas pelo acesso às plantas degrada o serviço que as bactérias fornecem?
Uma equipe liderada por cientistas da Universidade da Califórnia, em Riverside, montou experimentos para responder a essas perguntas e entender melhor o processo de competição. Os pesquisadores usaram uma planta nativa da Califórnia com nódulos, Acmispon strigosus, e um conjunto de oito cepas bacterianas fixadoras de nitrogênio compatíveis. Eles infectaram algumas plantas com cada uma das oito cepas para medir diretamente sua capacidade de infectar as plantas e fornecer benefícios. Eles então infectaram outras plantas com pares de cepas bacterianas para avaliar a capacidade competitiva de cada cepa e o efeito no desempenho da planta.
Os pesquisadores descobriram que a competição entre cepas de bactérias benéficas no solo degrada o serviço que as bactérias prestam aos seus hospedeiros.
“Mais especificamente, descobrimos que a competição entre linhagens que ocorre no solo antes que a bactéria infecte a planta faz com que menos bactérias colonizem a planta, resultando em benefícios menores para a planta no final”, disse Joel Sachs, professor de evolução, ecologia e biologia do organismo, que liderou a equipe de pesquisa. “Para entender a simbiose, geralmente usamos condições estéreis em que uma cepa de bactéria é ‘inoculada’ ou introduzida em um hospedeiro estéril. Nossos experimentos mostram que tornar esse sistema um pouco mais complexo – simplesmente usando duas cepas bacterianas por vez – muda fundamentalmente o equilíbrio dos benefícios que os hospedeiros recebem, remodelando nossa compreensão de como a simbiose funciona.”
Os resultados do estudo aparecem na revista biologia atual.
Sachs explicou que um dos principais desafios da agricultura é aproveitar os serviços que os micróbios podem fornecer às culturas, promovendo o crescimento de maneira sustentável, sem os custos ambientais dos fertilizantes químicos. Seu laboratório estuda rizóbios – bactérias que promovem o crescimento das plantas. A competição com rizóbios é um problema de longa data para a agricultura sustentável. Os rizóbios formam nódulos radiculares nas leguminosas, dentro dos quais as bactérias fixam nitrogênio para a planta em troca de carbono da fotossíntese. Os produtores há muito procuram aproveitar os rizóbios para fertilizar de forma sustentável as leguminosas, como soja, amendoim, ervilha e feijão verde.
“Pode-se pensar que o uso de rizóbios como inoculantes deve permitir que os produtores minimizem o uso de nitrogênio químico, que é prejudicial ao meio ambiente”, disse Sachs, que preside o Departamento de Evolução, Ecologia e Biologia Organismal. “Mas essa inoculação de rizóbios raramente é bem-sucedida. Quando os produtores inoculam suas plantações com rizóbios de alta qualidade – cepas que fixam muito nitrogênio – essas cepas de ‘elite’ são superadas por rizóbios indígenas que já estão no solo e fornecem pouco ou nenhum benefício aos hospedeiros.”
Em seus experimentos, Sachs e seus colegas usaram cepas bacterianas cujos genomas já haviam sequenciado. Eles também caracterizaram as cepas, que variaram de altamente benéficas a ineficazes na fixação de nitrogênio, para saber exatamente o quão benéficas elas eram para as espécies de plantas-alvo. Os pesquisadores sequenciaram o conteúdo de mais de 1.100 nódulos, cada um dos quais era de uma planta que foi inoculada com uma das 28 combinações diferentes de cepas.
Em seguida, os pesquisadores desenvolveram modelos matemáticos para prever quanto benefício as plantas co-inoculadas obteriam com base nas expectativas de plantas que foram “infectadas clonalmente” (infectadas com uma cepa). Isso permitiu que os pesquisadores calculassem o déficit de crescimento causado especificamente pela competição entre linhagens.
“Nossos modelos mostraram que as plantas coinoculadas obtiveram benefícios muito menores da simbiose do que se poderia esperar das infecções clonais”, disse Arafat Rahman, ex-aluno de pós-graduação do laboratório de Sachs e primeiro autor do trabalho de pesquisa. “Embora as bactérias benéficas funcionem bem no laboratório, elas são superadas no ambiente natural. Em última análise, queremos encontrar uma cepa de bactérias – ou um conjunto delas – que proporcione o máximo benefício à planta hospedeira e seja competitiva contra as cepas bacterianas que já estão no solo.”
Sachs explicou que, para descobrir e desenvolver uma cepa bacteriana altamente benéfica para as plantas, os cientistas precisam realizar experimentos em condições muito limpas.
“Em última análise, queremos usar bactérias benéficas na agricultura”, disse ele. “Para identificar essas bactérias, normalmente adicionamos uma cepa bacteriana a uma planta no laboratório e mostramos que a planta cresce muito melhor com a cepa do que sem. No campo, no entanto, essa planta está coberta de micróbios, complicando a história. Em nossos experimentos, avançamos do uso de uma cepa para um par de cepas para ver o impacto que isso tem no crescimento da planta. Curiosamente, com apenas duas cepas, muitas de nossas previsões falharam.”
Rahman enfatizou que, embora sejam necessários experimentos para determinar o quão benéfica é uma cepa bacteriana, também são necessários experimentos que testem o quão competitiva a cepa é contra um painel de outras cepas bacterianas.
“Ambos os passos são cruciais”, disse ele. “Nosso trabalho descobriu que algumas das melhores cepas podem ser altamente benéficas para o crescimento da planta, mas assim que você as emparelha com qualquer outra cepa, esse benefício é bastante reduzido. Além disso, é importante saber em que estágio ocorre a competição entre cepas: antes da interação da bactéria com a planta ou depois?
Sachs disse que em muitos projetos experimentais atuais, o foco está no benefício para as plantas.
“É importante, no entanto, ter em mente que as bactérias são moldadas pela seleção natural”, disse ele. “Alguns deles podem ser altamente competitivos ao entrar no nódulo para infectar a planta, mas não ser muito benéficos para a planta e isso pode ser uma característica que vence na natureza.
De acordo com Sachs e Rahman, as práticas de crescimento sustentável precisam ser um aspecto crítico da nova agricultura para alimentar uma população crescente com base em recursos limitados.
“Isso exigirá superar os métodos poluentes, como a adição de grandes quantidades de nitrogênio químico ao solo”, disse Sachs. “Entender como entregar eficientemente micróbios benéficos a um hospedeiro alvo é um desafio central na medicina, agricultura e pecuária. Ao revelar que a dinâmica entre linhagens pode reduzir os benefícios da simbiose, nosso trabalho abriu novos caminhos de pesquisa para melhorar práticas agrícolas sustentáveis.”
Sachs e Rahman foram acompanhados no estudo por Max Manci, Cassandra Nadon, Ivan A. Perez, Warisha F. Farsamin, Matthew T. Lampe, Tram H. Le e Lorena Torres Martínez da UCR, e Alexandra J. Weisberg e Jeff H. Chang da Oregon State University. Rahman planeja ingressar na Oregon State University como pesquisador de pós-doutorado.
A pesquisa foi apoiada por doações da National Science Foundation e do Departamento de Agricultura dos EUA.
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