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Plantas, animais e seres humanos abrigam numerosos microrganismos, como bactérias e fungos. Estes formam comunidades complexas que têm um impacto profundo na saúde de seu hospedeiro. Um microbioma notável é o do intestino humano, que ajuda a digerir nossos alimentos e nos protege contra patógenos.
As plantas também são hospedeiras de comunidades microbianas em suas raízes e folhas. Essas comunidades podem promover o crescimento e afastar bactérias nocivas. Os microbiomas vegetais, portanto, têm o potencial de tornar a agricultura mais sustentável. No entanto, atualmente temos apenas uma compreensão rudimentar das interações interespécies que moldam essas comunidades microbianas.
Por que essas comunidades tendem a ser povoadas apenas por certos tipos de micróbios e não por outros? “Já sabíamos que os microbiomas das folhas não eram apenas algumas coleções aleatórias de micróbios”, diz Julia Vorholt, professora de microbiologia da ETH Zurich. “Mas as regras que determinam como essas comunidades se formam e quais mecanismos moldam sua composição ainda precisam ser encontradas.”
Agora, uma equipe de pesquisadores liderada por Vorholt identificou exatamente esse princípio organizador para as bactérias que vivem nas folhas da planta modelo. Arabidopsis thaliana (talo agrião). Os pesquisadores desenvolveram um conjunto de modelos que usam as preferências de nutrientes e habilidades metabólicas de cepas bacterianas individuais para prever como esses micróbios da superfície da folha competem ou cooperam entre si, ajudando-nos a entender melhor a natureza do microbioma resultante.
O estudo da equipe de pesquisa, realizado em colaboração com colegas da EPFL, foi publicado na última edição da revista Ciência.
A competição por recursos leva a interações distintas
Em um trabalho anterior, o grupo de Vorholt já havia mostrado que as comunidades microbianas encontradas nas folhas das plantas eram notavelmente semelhantes. “A composição consistente dessas comunidades aponta para um mecanismo subjacente que controla como o microbioma da folha é criado”, diz Vorholt.
Martin Schäfer, um pós-doutorando no grupo de Vorholt e co-autor principal do estudo, explica que “uma vez que todas as bactérias dependem de moléculas orgânicas como alimento, perguntamos se poderíamos prever a maneira como elas interagem sabendo quais moléculas de alimento elas podem metabolizar. “
Alan Pacheco, também co-autor principal, acrescenta: “em um ambiente competitivo, os nichos alimentares podem levar a uma coexistência e colaboração estáveis, com os micróbios interagindo para vantagens mútuas por meio da troca de recursos”.
A questão norteadora colocada por Vorholt e sua equipe é: podemos usar as capacidades metabólicas de diferentes bactérias para entender como o microbioma foliar toma forma?
Perfis de carbono revelam competição por recursos
Para responder a essa pergunta, os pesquisadores começaram testando a capacidade de mais de 200 cepas representativas de bactérias de Arabidopsis thaliana folhas para crescer usando 45 fontes de carbono diferentes. Usando esses perfis de carbono, eles determinaram que havia uma extensa sobreposição entre os nichos alimentares das cepas. Isso indica que há uma competição acirrada por recursos.
Os pesquisadores então usaram esses perfis de carbono para construir um conjunto de modelos metabólicos confiáveis para todas as cepas bacterianas e simularam interações entre mais de 17.500 pares de bactérias. Consistente com a extensa sobreposição de nichos alimentares, as simulações mostraram um predomínio marcante de interações negativas: quando a competição faz com que a população de pelo menos uma das duas cepas diminua.
Evitando a competição através da cooperação
Apesar dessa prevalência de competição, os modelos metabólicos também previram interações positivas. Uma análise mais detalhada revelou que essas interações cooperativas podem ser rastreadas até a troca de ácidos orgânicos e aminoácidos. Os autores do estudo realizaram experimentos com plantas para testar as previsões dos modelos e foram capazes de confirmá-los com uma precisão de 89%.
A precisão dos modelos surpreendeu até os próprios pesquisadores: “O alto grau de confiabilidade sugere que nossas suposições iniciais sobre a importância das características metabólicas estavam corretas”, diz Pacheco.
Aproveitamento de microbiomas para aplicação
“O que é ótimo sobre nossos modelos é que eles também funcionam ao contrário”, diz Vorholt, “no sentido de que podem ser usados para identificar mecanismos que desencadeiam certos padrões de interação”. Isso abre caminho para o projeto de microbioma direcionado, que é um pré-requisito fundamental para aplicações a jusante na agricultura.
Atualmente, empresas de sementes e produtores de produtos químicos agrícolas usam um processo de tentativa e erro para procurar micróbios que apoiem a proteção de cultivos de forma sustentável. As descobertas da equipe são, portanto, relevantes não apenas para pesquisas fundamentais, mas também para aplicações no design de microbiomas para a agricultura.
Vorholt é co-diretor do Centro Nacional Suíço de Competência em Pesquisa (NCCR) Microbiomas. O estudo atual de sua equipe promove a pesquisa de uma rede de 20 grupos, cujo objetivo é entender os microbiomas – de plantas a humanos – para que seu vasto potencial para saúde, agricultura e meio ambiente possa ser realizado.
Isso pode ser alcançado, por exemplo, complementando comunidades desequilibradas com o micróbio certo, removendo certas espécies ou mesmo tratando doenças com combinações de bactérias com funções especiais. Os modelos preditivos desempenharão um papel fundamental nesse objetivo.
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