Comunidades microbianas sintéticas têm sido utilizadas no âmbito de estudos em microbioma para avaliar o potencial de microrganismos em associar-se com diferentes plantas e desempenhar funções benéficas para o crescimento e desenvolvimento vegetal. Através do sequenciamento de amostras de DNA total de plantas, é possível acessar os grupos de microrganismos, assim como a sua abundância, encontrados habitando os diferentes órgãos vegetais. Apesar de diversos estudos recentes estarem sendo desenvolvidos nesta área, ainda pouco se sabe sobre os reais mecanismos biológicos diretamente envolvidos na interação microbiota/planta e as funções moleculares desenvolvidas pelos microrganismos que beneficiem o crescimento de diferentes espécies vegetais. Neste contexto, o uso de bioinoculantes tem surgido como uma importante ferramenta biotecnológica aplicada à agricultura para compreender relações microrganismo/planta. O desenvolvimento de inoculantes com amplo espectro de ação pode impactar positivamente para o desenvolvimento de tecnologias originadas de microbiomas, além de permitir o acesso a informações biológicas relevantes para a melhor compreensão dos processos moleculares envolvidos na biologia da comunicação planta/microbiota.
A fim de desvendar o padrão de colonização e a abundância dos grupos microbianos pertencentes a comunidade sintética oriunda do microbioma core da cana-de-açúcar, foram acessados os grupos de bactérias presentes na raiz, caule e folha de plantas de milho e soja inoculadas com essa comunidade através do sequenciamento do gene do rRNA 16S. A análise do padrão de colonização de plantas de soja inoculadas e não inoculadas mostraram que os membros pertencentes ao inóculo sintético, apesar de apresentaram um aumento na sua representatividade em algumas condições, em geral não foram capazes de colonizar os órgãos da soja de maneira significativa e robusta conforme observado para alguns grupos em milho (Anexo 9.1). Apesar destes resultados se originarem de experimentos independentes, foi observado que em plantas de milho, dentre os 20 grupos identificados como pertencentes ao inóculo sintético utilizado em milho, 10 foram classificados como colonizadores robustos habitando os órgãos da raiz e caule (Anexo 9.1), pois apresentaram um aumento significativo da sua abundância em plantas inoculadas quando comparada com as plantas não inoculadas. Esses grupos foram identificados como pertencentes às famílias Chitinophagaceae,
Comamonadaceae, Caulobacteraceae, Rhizobiaceae, Sphingobacteriaceae, Burkholderiaceae, Xanthomonadaceae e Streptomycetaceae e representam as famílias mais abundantes nas plantas
de milho inoculadas (Anexo 9.1). Apesar de algumas sequências de genes 16S de grupos pertencentes a microbiota natural do milho e ao inóculo sintético terem sido agrupadas em uma mesma OTU, as bactérias naturalmente encontradas nessas plantas não foram eficientes em colonizar os tecidos e promover o crescimento vegetal (Anexo 9.1). Ainda que não observarmos diferenças significativas na composição das principais famílias pertencentes a microbiota de plantas de soja inoculadas e não inoculadas, dentre todas as famílias identificadas ao longo dos órgãos dessas plantas, membros dos grupos Comamonadaceae, Caulobacteraceae,
Rhizobiaceae, Sphingobacteriaceae, Burkholderiaceae e Xanthomonadaceae representam as
famílias mais abundantes encontradas nessa espécie, de forma semelhante ao que foi encontrado em milho. Embora os membros do inóculo sintético utilizado em soja não sejam colonizadores eficientes nessa espécie vegetal, ocorreu um aumento significativo na biomassa total dessas plantas, sugerindo que a presença da comunidade sintética e possivelmente funções relacionadas aos grupos mais abundantes encontrados nessas plantas possam estar atuando de maneira indireta para a melhora desenvolvimento vegetal neste modelo. Os resultados de colonização da comunidade sintética em milho e soja sugerem que funções potencialmente desempenhadas por grupos específicos de microrganismos pertencentes ao inóculo possam estar diretamente relacionadas a melhora no crescimento dessas plantas e estão ausentes nos grupos das microbiotas naturais dessas plantas.
Além da identificação dos colonizadores robustos na raiz e caule do milho, que induziram alterações no perfil da microbiota desses órgãos, foi observada uma grande alteração na microbiota natural do milho até mesmo em órgãos que não foram diretamente inoculados e não apresentaram colonizadores robustos (Anexo 9.1). No compartimento endofítico do caule e nas folhas de milho, membros naturalmente encontrados em associação com a planta tiveram uma diminuição significativa de sua abundância em favorecimento de OTUs pertencentes ao inóculo sintético (Anexo 9.1). O efeito sobre a composição e abundância de grupos naturalmente encontrados em associação com as plantas também foi observado na soja, contudo, alterações na microbiota natural dessa espécie não ocorreram de forma a privilegiar o aumento das OTUs pertencentes ao inóculo. Contrariamente, nós observamos que algumas OTUs com baixa abundância em plantas não inoculadas e que não pertencem ao inóculo sintético apresentaram um aumento relevante nas plantas inoculadas. Essas alterações se destacaram principalmente nos órgãos do caule e da folha da soja, e não na raiz como observado no milho.
A dinâmica da estrutura da microbiota e do estabelecimento de diferentes grupos de microrganismos pode estar influenciando indiretamente o aumento da biomassa da soja através de fatores ainda não conhecidos. Quando inoculados nas plantas, membros do inóculo sintético podem interagir com os grupos naturalmente presentes na soja e interferir nas relações intraespecíficas naturalmente estabelecidas, alterando a composição e capacidade de grupos específicos em se estabelecer e se multiplicar nos órgãos vegetais. Além disso, algumas características fisiológicas adversas entre os modelos, como o metabolismo fotossintético C4 da soja, podem influenciar diretamente na seleção, adaptação e desenvolvimento de grupos de microrganismos de forma diferente nessas plantas. Neste contexto, microrganismos potencialmente relevantes para melhorar o crescimento e desenvolvimento da soja conseguem, na presença do inóculo sintético, desempenhar suas funções com maior eficácia. Além disso, funções como a produção de fitormônios, pequenos peptídeos, moléculas envolvidas na manutenção da saúde dessas plantas, entre outras ainda desconhecidas, podem estar presentes nos membros da comunidade sintética e, quando presentes no meio, induzem uma melhora no crescimento vegetal. Curiosamente, as principais alterações na composição da microbiota da soja parecem estar relacionadas à disponibilidade de nutrientes no substrato. Em plantas de soja mantidas em condição nutricional rica MS 1X, a microbiota natural do caule parece ser mais influenciada, enquanto na condição MS 1/2X observamos maiores alterações nos perfis microbianos tanto do caule quanto da folha. Já em condições nutricionais mais restritas, parece
ocorrer uma maior supressão dos grupos naturais identificados nas folhas de plantas não inoculadas quando comparadas às inoculadas. Essa dinâmica pode estar sendo afetada por alterações moleculares que são diferencialmente reguladas quando em situação de estresse. Ainda não sabemos quais mecanismos podem estar envolvidos na dinâmica dessas interações, porém, tais resultados são de grande interesse para o nosso grupo de pesquisa. Acreditamos, parcimoniosamente, que desvendar o padrão de colonização de comunidades microbianas em associação com diferentes culturas de importância econômica podem revelar dados importantes acerca da biologia envolvida na interação microbiota/planta além de colaborar para o desenvolvimento de tecnologias baseadas em microbiomas para aplicação na agricultura.
6. Conclusões
O aumento da produtividade de culturas como a cana-de-açúcar, soja, o milho, entre muitas outras, se faz cada vez mais necessário para atender o consumo mundial. Estudos recentes têm aplicado seus esforços em busca de estratégias menos agressivas em relação ao demasiado uso de fertilizantes e agrotóxicos na agricultura. Neste contexto, o uso de comunidades microbianas no âmbito de investigar os mecanismos envolvidos na interação microbiota/planta e sua aplicação guiada para a promoção do crescimento e desenvolvimento vegetal têm se destacado nos últimos anos como uma alternativa importante para a agricultura sustentável. O uso de uma comunidade microbiana sintética composta pelos microrganismos mais abundantes nos órgãos da cana, baseados na hipótese de que a alta abundância e prevalência de grupos microbianos ao longo do desenvolvimento da planta possam estar intimamente relacionadas a funções bastante relevantes para o crescimento vegetal, resultou no impacto positivo no crescimento vegetal de duas culturas de grande importância econômica, o milho e a soja. Além do efeito benéfico no crescimento vegetal, a presença dessa comunidade induziu alterações relevantes na microbiota naturalmente associada aos órgãos dos modelos estudados, apresentando um padrão de alterações distinto entre as espécies e possivelmente influenciado pela disponibilidade de nutrientes no meio. O nicho contrastante estabelecido pelo milho e pela soja, assim como o padrão de exsudados dessas diferentes culturas, podem estar influenciando na seleção e estabelecimento de grupos microbianos específicos. Compreender os mecanismos moleculares envolvidos na dinâmica de distribuição e estabelecimento de microrganismos entre diferentes espécies vegetais é um passo importante para o desenvolvimento da agricultura e o uso de tecnologias baseadas na microbiota natural das plantas.
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8. Apêndice
Tabela A1. Classificação taxonômica, valores de confiança e abundância relativa média por órgão das OTUs identificadas no conjunto de dados de 16S em plantas de soja não inoculadas e inoculadas mantidas com solução nutritiva MS 1X. A abundância relativa de uma
determinada OTU por amostra foi obtida com base na quantidade normalizada de reads gerados para cada amostra pelo número total de reads. Os valores médios representam a média entre as amostras para cada órgão por tratamento (não inoculada e inoculada). Valores em parênteses indicam o valor de confiança da classificação taxonômica utilizando o banco de dados SILVA. k, reino; p, filo; c, classe; o, ordem; f, família; g, gênero; s, espécie.
Não Inoculado Inoculado
Taxonomia OTU_ID Raiz Caule Folha Raiz Caule Folha
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