Resistência fúngica em plantas associada a diferenças hereditárias na abundância da microbiota
O mofo branco, causado pelo fungo patógeno Sclerotinia sclerotiorum, é responsável por perdas médias anuais na colheita de girassol de mais de 1%. Crédito:Associação Nacional do Girassol Os girassóis não são apenas belos símbolos do verão – eles também são economicamente significativos, sendo classificados como a quarta cultura de oleaginosas mais importante do mundo, e novas pesquisas sugerem que algumas bactérias podem ajudar a proteger a cultura da destruição do mofo branco.
Os girassóis podem ser colhidos para uma série de produtos, incluindo sementes e óleo, para os quais a procura dos consumidores aumentou significativamente nos últimos anos. Podem também contribuir para a resiliência climática, observam os investigadores, uma vez que podem adaptar-se a várias condições meteorológicas, e os rebentos de girassol contêm nutrientes que podem promover a saúde humana.
Infelizmente, como muitas outras plantas, os girassóis são suscetíveis a doenças, que podem causar perdas significativas nas colheitas. Por exemplo, o bolor branco, causado pelo fungo patogénico Sclerotinia sclerotiorum, é responsável por perdas médias anuais nas culturas de girassol superiores a 1%. Também pode afetar feijão, berinjela, alface, amendoim, batata e soja, em alguns casos destruindo 100% das lavouras.
Embora a abordagem para o manejo de doenças como o mofo branco normalmente tenha se concentrado na genética das plantas, um estudo publicado na Molecular Ecology e liderado por pesquisadores da Universidade do Colorado em Boulder sugere que as comunidades de organismos microscópicos ao redor das raízes das plantas também desempenham um papel importante e que a variação genética das plantas afeta, de fato, os microbiomas associados.
Experimentos de campo e em estufa
A pesquisa incluiu um estudo em estufa, bem como um experimento de campo que os pesquisadores conduziram usando diferentes raças de girassóis cujo DNA foram extraídos e sequenciados.
Vinte plantas de cada raça de girassol foram cultivadas em um único campo que os pesquisadores esperavam conter micróbios hostis ao patógeno Sclerotinia. Algumas plantas estavam infectadas e outras não, o que foi necessário para distinguir entre os micróbios relevantes para o estudo e aqueles que se aproveitavam da morte tecidual causada pela Sclerotinia.
No experimento em casa de vegetação, os girassóis foram cultivados em solo retirado do mesmo ambiente utilizado no experimento de campo, metade do qual foi esterilizado para remoção de quaisquer micróbios.
As plantas foram infectadas e avaliadas quanto à sua resistência à doença, permitindo aos pesquisadores determinar a importância dos micróbios para os resultados que diferentes raças de girassol experimentaram no experimento de campo. Se os girassóis cultivados em solo estéril fossem menos resistentes às doenças, isso mostraria que os micróbios estavam conferindo resistência às doenças às suas plantas.
Os pesquisadores descobriram que 42 tipos de micróbios estavam associados à resistência a doenças. A experiência em estufa mostrou que estes micróbios são muito importantes para a resistência das plantas a doenças, uma vez que os girassóis em solo estéril morreram até 19 dias mais cedo do que os seus homólogos.
Em seguida, a abundância dos principais micróbios foi associada às características genéticas das diferentes plantas, e os investigadores descobriram que certos genes correspondiam a um aumento da abundância dos micróbios.
Tudo isto sugere que diferentes raças de girassol se adaptaram geneticamente para aumentar o número de micróbios úteis no solo próximo e, assim, melhorar a sua resistência ao bolor branco, concluíram os investigadores. Como a associação entre planta e micróbio é genética, ela pode ser herdada e, portanto, é possível cultivar essa resistência por meio do melhoramento genético, entre outros métodos.
Micróbios e resistência a doenças de plantas
Antes do estudo, não estava claro qual o efeito que as comunidades microbianas têm na resistência às doenças das plantas, diz Nolan Kane, professor associado de ecologia e biologia evolutiva da CU Boulder e notável investigador do girassol.
“Há certamente alguns casos documentados de que isto é importante”, diz ele, “mas para a maioria dos agentes patogénicos, as plantas têm o alelo certo neste gene e serão resistentes a esse agente patogénico, e se não tiverem o alelo certo, então eles serão suscetíveis.
"(Os humanos) têm um sistema imunológico muito complexo que pode reconhecer novas proteínas o tempo todo. As plantas têm um sistema imunológico muito diferente que muitas vezes é simplificado para apenas um gene que detecta o patógeno. Se a proteína do patógeno for uma versão que o gene puder detectar, então a planta será resistente, mas se não houver a combinação certa, a planta será suscetível."
Ao contrário do sistema imunológico humano, o sistema imunológico das plantas não mantém registros de todos os micróbios contra os quais lutou. Em vez disso, reconhecem padrões moleculares associados a doenças utilizando receptores especializados. Cada tipo de receptor só pode interagir com moléculas de formatos específicos, que se encaixam como peças de um quebra-cabeça. Uma vez feito esse contato, o receptor sinaliza uma resposta de defesa.
No caso dos girassóis que Kane e seus colegas de pesquisa estudaram, pelo menos para a Sclerotinia, as coisas são mais complicadas. “Este foi um caso em que realmente pensamos que poderia haver um papel importante para o microbioma ou algum outro componente ambiental”, diz Kane. Como os investigadores descobriram, quatro tipos de bactérias estavam fortemente correlacionados com a resistência dos girassóis ao agente patogénico fúngico, sugerindo que a sua intuição estava correta.
No entanto, Kane diz:“Havia muitos micróbios correlacionados entre si”, o que significa que o efeito poderia ser resultado de toda a comunidade, e não apenas destes quatro tipos de bactérias, que são chamadas de unidades taxonómicas operacionais (OTUs).
Ainda assim, Kane continua:“As quatro que destacamos estão mais fortemente correlacionadas com a resistência a patógenos, e quando controlamos essas quatro, nenhuma das outras OTUs correlacionadas foi significativa em associação com a doença”, embora as quatro bactérias principais provavelmente não pudessem. melhorar a resistência a doenças individualmente, uma vez que “muitos desses micróbios não crescem muito bem por si próprios ou não se comportam da mesma maneira quando são cultivados por conta própria”.
Simbiose planta/micróbio
Os pesquisadores descobriram que quanto mais dessas quatro bactérias existiam no solo ao redor das plantas, melhor elas se saíam contra a Sclerotinia sclerotiorum. Então, como as plantas conseguem tirar proveito dessas bactérias e o que isso tem a ver com a genética das plantas?
Acontece que as plantas podem cultivar uma comunidade de micróbios úteis na área do solo ao redor de suas raízes, conhecida como rizosfera.
“Em geral, existem compostos que as plantas podem secretar que inibem certos micróbios ou promovem o seu crescimento”, explica Kane. A fotossíntese, o processo que as plantas usam para converter luz em energia utilizável, produz muitas moléculas de carboidratos, como açúcares e amidos.
Por esse motivo, Kane diz:“Muitas de suas interações com micróbios envolvem açúcares ou carboidratos fornecidos pelas plantas, e as plantas se beneficiam ao obter nitrogênio ou alguma outra coisa de que precisam”.
As plantas têm tipos semelhantes de relações simbióticas com fungos que elas se beneficiam com a promoção. O nitrogênio é apenas um exemplo dos benefícios que as plantas obtêm de suas relações simbióticas:“No estudo que fizemos, não sabemos se é necessariamente o mesmo mecanismo, mas é provável que exista algum tipo de exsudato radicular que esteja moldando o microbioma", diz Kane. "Esse é um dos principais mecanismos que as plantas usam."
A maneira como as plantas interagem com os micróbios da rizosfera depende de seus genes. Por isso, os pesquisadores conseguiram associar os quatro tipos de bactérias a partes muito específicas do código genético dos girassóis.
Associações com micróbios
O estudo também teve outras descobertas significativas. Mostrou que quatro das 40 amostras de girassol estudadas resistiram à Sclerotinia mesmo sem a proteção de bactérias úteis. Eles tiveram um desempenho pior em solo esterilizado do que em solo com bactérias, mas foram significativamente melhores do que as outras amostras.
“Isso poderia ser algum tipo de capacidade de responder ao patógeno de forma protetora”, diz Kane. “Ainda não sabemos se isso seria um alvo de reprodução útil porque poderia haver compensações, ou poderia ter efeitos protetores limitados ou inexistentes em condições normais”. Ainda assim, “mostra que a história toda não envolve apenas os micróbios. Há um componente importante, mesmo que menor, relacionado à genética inerente das plantas”.
A pesquisa inspirou novas questões sobre os custos e benefícios da simbiose com os micróbios, os mecanismos moleculares responsáveis pela variação da simbiose e a importância das interações entre o genótipo e os fatores ambientais.
Kane diz que ele e seus colegas de pesquisa “estão analisando algumas dessas linhas em ambientes mais diversos nos EUA e tentando identificar se essas associações microbianas são muito gerais em uma ampla gama de ambientes, ou se são muito específicas para apenas um”. ambiente."
Uma vez que estes estudos estão a ser realizados em campos agrícolas, as plantas examinadas não serão expostas a agentes patogénicos. Em vez disso, os investigadores irão concentrar-se nas associações das plantas com os micróbios, diz Kane.
Da mesma forma, Kane diz:"Ver esses efeitos genéticos neste ambiente em tantos micróbios diferentes foi realmente emocionante porque sugere que os girassóis que usamos neste estudo têm alguma variação interessante que poderia estar associada a uma ampla gama de características diferentes que não olhamos, mas seria realmente emocionante olhar em trabalhos futuros."
Muitas culturas perderam algumas das suas associações microbianas através da reprodução, diz Kane, mas isso não foi um problema para a população do estudo, tornando-o potencialmente valioso para pesquisas futuras.
O estudo ainda dá uma ideia de como as associações microbianas poderiam ser usadas para proteger as plantas por si só. A maneira mais direta de fazer isso é criar plantas seletivamente para os genes correspondentes ao aumento da abundância de micróbios úteis na rizosfera.
“Além da criação”, explica Kane, “diferentes práticas agrícolas e ambientais poderiam promover comunidades úteis ou inibir comunidades prejudiciais”. Nos casos em que os micróbios úteis ainda não estejam presentes, aplicá-los nos campos também pode ser importante.
“Provavelmente seria uma combinação de mais de uma dessas coisas diferentes”, diz Kane. Existem algumas empresas de biotecnologia que já estão a trabalhar em “misturas” microbianas benéficas para algumas culturas, que poderiam ser aplicadas nos campos ou revestidas em sementes de plantas.
Este estudo “poderia ajudar, certamente, com o melhoramento do girassol”, conclui Kane, mas também “nos ajudar a compreender como criar outras espécies de forma mais eficaz, e também alguma ciência básica não apenas sobre como as plantas interagem com o seu ambiente, mas como toda a comunidade sob o solo funciona para afetar essa interação."
