Os investigadores demonstraram que a maquinaria genética responsável pela fixação biológica do azoto pode ser transferida para novas estirpes de bactérias, proporcionando uma compreensão mais clara de como esta característica agrícola crucial se espalha na natureza e abrindo potencialmente novos caminhos para reduzir a dependência da agricultura de fertilizantes azotados sintéticos.
As descobertas, publicadas emBiologia Atualem 28 de maio, o foco será nos rizóbios selvagens-bactérias do solo que formam relações simbióticas com culturas leguminosas, como ervilhas e feijões. Essas bactérias convertem o nitrogênio atmosférico em formas que as plantas podem usar, permitindo que as leguminosas cresçam com pouco ou nenhum fertilizante externo de nitrogênio. Os cientistas dizem que o estudo esclarece como os genes que governam esta simbiose podem ser adquiridos por linhagens bacterianas que anteriormente não tinham essa capacidade, um passo fundamental para alargar a fixação biológica de azoto a outras culturas.
Compreendendo a base genética da simbiose
O estudo, liderado por Angeliqua P. Montoya e colegas, examinou a genômica evolutiva das relações endossimbióticas emergentes em rizóbios selvagens. Ao acompanhar como os genes fixadores de nitrogênio se movem entre as populações bacterianas, os pesquisadores conseguiram identificar caminhos genéticos que permitem que as bactérias estabeleçam parcerias bem-sucedidas com as plantas.
A fixação de nitrogênio em leguminosas depende de nódulos radiculares especializados, onde os rizóbios recebem carboidratos da planta hospedeira em troca de nitrogênio fixado biologicamente. Embora essa relação tenha evoluído naturalmente ao longo de milhões de anos, os cientistas há muito buscam maneiras de replicar sistemas semelhantes em culturas não-de leguminosas.
A pesquisa fornece novas evidências de que as características genéticas necessárias para a simbiose podem se espalhar pelas linhagens bacterianas, sugerindo que a evolução das parcerias de-fixação de nitrogênio pode ser mais flexível do que se entendia anteriormente. Tais descobertas poderiam ajudar os investigadores a identificar os pré-requisitos genéticos necessários para estabelecer relações semelhantes em bactérias associadas às culturas de cereais.
Por que o avanço é importante para os mercados de fertilizantes
A importância da fixação biológica de nitrogênio vai muito além da biologia vegetal. A maioria das principais culturas básicas do mundo-incluindo trigo, milho e arroz-não consegue fixar o nitrogênio atmosférico e, portanto, depende fortemente de fertilizantes de nitrogênio produzidos através do processo Haber-Bosch.
A fabricação de amônia, a base dos fertilizantes de nitrogênio, é um dos processos industriais-que mais consomem energia em todo o mundo e permanece altamente exposta aos custos do gás natural, às perturbações geopolíticas e às restrições comerciais. A recente volatilidade nos mercados de fertilizantes, incluindo preocupações de abastecimento associadas às rotas marítimas do Médio Oriente e controlos de exportação dos principais países produtores, renovou o interesse em tecnologias que possam reduzir a dependência do azoto sintético.
Se as culturas de cereais conseguissem obter uma parte significativa das suas necessidades de azoto através da fixação biológica, as implicações a longo-prazo para a procura de fertilizantes poderiam ser substanciais. Embora essa transição permaneça distante, ela atraiu investimentos significativos de empresas de biotecnologia agrícola, desenvolvedores de insumos biológicos e grandes-fornecedores de nutrientes agrícolas que buscam soluções de gerenciamento-de nutrientes mais sustentáveis.
Com base em avanços anteriores
O novo estudo se soma a um crescente corpo de pesquisas que visa compreender os mecanismos moleculares que governam a simbiose entre plantas e micróbios. Investigações anteriores identificaram proteínas vegetais específicas, vias de sinalização e respostas mediadas por cálcio-que determinam se as plantas aceitam ou rejeitam bactérias fixadoras-de nitrogênio.
Os pesquisadores já demonstraram modificações de prova de-de{1}}conceito em plantas modelo e algumas espécies de cereais, incluindo cevada, mostrando que componentes da rede de sinalização simbiótica podem ser manipulados. No entanto, alcançar uma fixação de azoto fiável e economicamente significativa nas principais culturas de cereais continua a ser um dos objectivos mais ambiciosos da ciência agrícola.
As descobertas da Current Biology fornecem uma perspectiva complementar, concentrando-se no lado microbiano da relação, revelando como as capacidades de fixação-de nitrogênio emergem e se espalham entre as populações bacterianas em ambientes naturais.
A implantação comercial ainda está a anos de distância
Apesar do progresso científico, os pesquisadores alertam que as aplicações agrícolas práticas continuam sendo um objetivo-de longo prazo. A demonstração da transferência de genes e da capacidade simbiótica em sistemas bacterianos selvagens representa um marco científico importante, mas permanecem desafios significativos antes que tais descobertas possam ser traduzidas em produtos comerciais.
O sector dos fertilizantes biológicos atraiu capital de risco e investimento empresarial substanciais ao longo da última década, mas a indústria também sofreu reveses à medida que as empresas lutam para reproduzir consistentemente os resultados laboratoriais em condições de campo. Alcançar uma colonização estável, taxas suficientes de fixação de azoto e retornos económicos para os produtores continua a ser um desafio complexo.
Como resultado, é pouco provável que as últimas descobertas tenham qualquer impacto imediato na procura de fertilizantes. Em vez disso, eles contribuem para uma base científica crescente que poderia eventualmente apoiar o desenvolvimento de tecnologias microbianas de próxima-geração projetadas para complementar ou substituir parcialmente as aplicações de nitrogênio sintético.
Próximos passos para pesquisadores
A próxima fase da investigação centrar-se-á em saber se os mecanismos genéticos identificados nos rizóbios selvagens podem ser introduzidos em espécies bacterianas que se associam naturalmente às raízes das culturas de cereais. Os cientistas devem então determinar se estas comunidades microbianas modificadas podem fornecer azoto biologicamente fixado suficiente para proporcionar benefícios agronómicos mensuráveis em condições de agricultura comercial.
O sucesso representaria uma grande mudança na nutrição das culturas, permitindo potencialmente aos agricultores reduzir o uso de fertilizantes, mantendo ao mesmo tempo os rendimentos. Por enquanto, porém, o trabalho continua a ser um passo inicial, mas notável, em direção a um dos objetivos-mais procurados da agricultura: permitir que grandes culturas de cereais tenham acesso ao nitrogênio por meio de parcerias biológicas, em vez de depender inteiramente de fertilizantes manufaturados.
