Micróbios do solo lembram-se da seca e ajudam as plantas a sobreviver

“As bactérias, fungos e outros organismos que vivem no solo podem acabar por ter efeitos importantes em coisas importantes, como o sequestro de carbono, o movimento de nutrientes e aquilo em que estamos particularmente interessados ​​– os efeitos legados nas plantas”, disse a co-autora Maggie Wagner, professora associada de ecologia e biologia evolutiva na Universidade do Kansas.

“Ficámos interessados ​​nisto porque outros investigadores, durante anos, têm descrito este tipo de memória ecológica de micróbios do solo que têm alguma forma de se lembrar do passado dos seus antepassados”, disse ela. “Achamos que isto era realmente fascinante. Tem muitas implicações importantes sobre a forma como podemos cultivar plantas, incluindo coisas como milho e trigo. A própria precipitação tem uma grande influência na forma como as plantas crescem, mas também a memória dos micróbios que vivem nesses solos também pode desempenhar um papel.”

Segundo Wagner, os efeitos legados já foram observados antes, mas os detalhes permanecem obscuros. Uma imagem mais clara poderia eventualmente ajudar os agricultores e as empresas de biotecnologia agrícola que pretendem aproveitar micróbios benéficos.

“Nós realmente não entendemos como funcionam os efeitos do legado”, disse ela. “Tipo, quais micróbios estão envolvidos no nível genético e como isso funciona? Quais genes bacterianos estão sendo influenciados? Também não entendemos como esse legado do clima se move através do solo para os micróbios e, eventualmente, para a planta.”

A equipe coletou amostras de solos de seis locais do Kansas, abrangendo a região oriental, mais úmida, até as planícies altas, mais altas e secas, no oeste, que recebem menos chuva por causa da sombra de chuva das Montanhas Rochosas. O objetivo era comparar como os efeitos do legado variavam ao longo deste gradiente climático.

“Esta foi uma colaboração com uma equipe da Universidade de Nottingham, na Inglaterra”, disse Wagner. “Dividimos o trabalho, mas a maior parte do experimento – na verdade, todo o experimento – foi conduzido aqui na KU, e também nos concentramos nos solos do Kansas para este trabalho.”

Na KU, Wagner e colegas avaliaram como as comunidades microbianas desses solos influenciaram as plantas.

“Usamos uma espécie de técnica tradicional, tratando os micróbios como uma caixa preta”, disse ela. “Cultivamos a planta em diferentes comunidades microbianas com diferentes memórias de seca e depois medimos o desempenho das plantas para entender o que era benéfico e o que não era”.

Os investigadores expuseram as comunidades microbianas a água abundante ou a água muito limitada durante cinco meses para reforçar histórias contrastantes de disponibilidade de humidade.

“Mesmo depois de muitos milhares de gerações bacterianas, a memória da seca ainda era detectável”, disse Wagner. “Um dos aspectos mais interessantes que vimos é que o efeito do legado microbiano era muito mais forte com plantas nativas desses locais exatos do que com plantas de outros lugares e plantadas por razões agrícolas, mas não eram nativas”.

Para começar a testar como a identidade da planta interage com o legado microbiano, a equipe comparou uma cultura (milho) com uma grama nativa (gamagrass). Eles observam que serão necessárias espécies adicionais para confirmar o padrão, mas os primeiros resultados sugerem que as plantas nativas podem alinhar-se mais fortemente com as histórias microbianas locais.

“Achamos que tem algo a ver com a história coevolutiva dessas plantas, o que significa que, durante períodos muito longos, o gamagrass tem vivido com essas comunidades microbianas exatas, mas o milho não”, disse ela. “O milho foi domesticado na América Central e só existe nesta área há alguns milhares de anos.”

Além do desempenho das plantas, os pesquisadores examinaram a atividade genética tanto em micróbios quanto em plantas para explorar mecanismos potenciais por trás dos efeitos legados em escala molecular.

“O gene que mais nos entusiasmou foi chamado de nicotianamina sintase”, disse Wagner. “Ela produz uma molécula útil principalmente para as plantas adquirirem ferro do solo, mas também foi registrado que influencia a tolerância à seca em algumas espécies. Em nossa análise, a planta expressou esse gene em condições de seca, mas apenas quando cultivada com micróbios com memória de condições de seca. A resposta da planta à seca dependia da memória dos micróbios, o que achamos fascinante.”

Wagner observou que o gamagrass está sendo considerado uma fonte de genes úteis para melhorar o milho sob estresse.

“O gene que mencionei anteriormente pode ser interessante”, disse ela. “Para as empresas de biotecnologia focadas em adições microbianas às culturas, isto dá dicas sobre onde procurar micróbios com propriedades benéficas. A comercialização microbiana na agricultura é uma indústria multibilionária e continua a crescer.”

Wagner’s KU collaborators were lead author Nichole Ginnan, now of the University of California-Riverside, and Natalie Ford, now of Pennsylvania State University; Valéria Custódio, David Gopaulchan, Dylan Jones, Darren Wells and Gabriel Castrillo of the University of Nottingham; Isai Salas-González of the Universidad Nacional Autónoma de México; and Ângela Moreno of the Ministério da Agricultura e Ambiente in Cabo Verde.

“Uma das coisas que torna este trabalho valioso é o quão interdisciplinar ele foi”, disse Wagner. “Reunimos análise genética, fisiologia vegetal e microbiologia, o que nos permitiu fazer e responder perguntas que não poderiam ter sido abordadas antes”.

Este trabalho foi financiado pela Divisão de Sistemas Organismos Integrativos da National Science Foundation.