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Como a microbiota do solo pode contribuir para obtenção de altas produtividades

Siu Mui Tsai

[email protected] Laboratório de Biologia Celular e Molecular

CENA-USP

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Campus “Luiz de Queiros”

Centro de Energia Nuclear na Agricultura

FERTBIO 2014 “Integração e Tecnologias para Todos” Araxá, 15 a 19 de Setembro de 2014

Considerações Iniciais

Produção e Produtividade

Conservação e Sustentabilidade

Intensificação das Práticas Conservacionistas

Produtividade e Sustentabilidade Agrícola

Melhoramento e produção vegetal sob novo enfoque

Manejo agrícola: biodiversidade e qualidade do solo

Considerações Finais

2

Introdução

Bactérias Fungos

MICRO-ORGANISMOS TÊM PAPEL ESTRUTURAL E FUNCIONAL NA QUALIDADE DO SOLO 3

Formação

Decomposição

Estrutura (Solo)

Insumos

Exportação

Ciclos Biogeoquímicos

Produção Diversidade

Planta

Biota do Solo

Estrutura

Comunidades Papel Funcional

Arquéias

CURVA DA PRODUÇÃO DE UMA CULTURA

Fertilidade do Solo (Insumos)

Pro

du

tivi

dad

e

4

BENEFÍCIOS DA REVOLUÇÃO VERDE

Século 21

Século 20

Variedades melhoradas requerem

alta fertilidade

do solo

Elevada fertilidade Genótipos

tradicionais acamam

Baixa fertilidade Não há ganhos em

produtividade

Fertilidade do Solo (Insumos)

Pro

du

tivi

dad

e

5

1995 1980 1980 1990 1985 1975 1965 2000 2005

5

4

2

1

0

Expansão da área agrícola, fixação biológica de nitrogênio

Conservação do Solo Plantio Direto

Irrigação + Biotecnologia

Melhoramento Doenças e Pragas

3 Melhoramento

Cerrado e Trópicos

O exemplo da soja no Brasil

Balanço de fertilizantes, calagem, gesso

XXI

2010

6

Intensificação de Práticas Conservacionistas e Produção em Áreas Marginais e Degradadas

Produções que alcancem 85-90% do potencial genético para produção vegetal de alta qualidade

Aumento da eficiência de absorção de nutrientes: P e micronutrientes

Eficiência de 90-95% no uso de água

Tolerância a fatores ambientais: seca, alta temperatura

Melhoria da qualidade do solo e ambiente

Armazenamento de nutrientes Conservação da matéria orgânica e sequestro do C do solo

Nutrição balanceada das plantas

7









8

Atmosfera

SOLO

Água subterrânea

CICLO DO NITROGÊNIO

Nuvens

Relâmpagos

N2 NO- 3

Fertilizantes

Inorgânicos

N2

N2O

Desnitrificação

Nitrificação

Absorção

Adsorção Lixiviação

Liberação

Argila

NO- 3

NH+ 4

Absorção

N

Nitrogênio

Orgânico

do Solo

Mineralização

Imobilização (Resíduos, biomassa

microbiana, húmus)

Resíduos

Animais Resíduos da

Cultura

Colheita

Fertilizantes

Orgânicos

NH3

Volatilização

N2

(Atmosférico)

Fixação de N

9

CICLO BIOLÓGICO DO N

Atmosfera

Água subterrânea

N2

(Atmosférico)

Fixação Simbiótica Fixação Associativa

FBN EM CANA-DE-AÇÚCAR

15N MARCADO EM CILINDROS DE SOLO PVA(Urquiaga & Döbereiner 1991)

% Kg/ha

CB 47-89

CB 45- 3

NA 56-79

IAC 52-150

SP 70-1143

SP 71-799

SP 79-2312

Chunnee

Caiana

Krakatau

B. radicans

41,9

44,1

42,9

46,2

52,3

46,1

41,7

37,2

42,2

55,6

0,0

111

110

106

125

128

112

84

56

21

163

-

FBN EM LEGUMINOSAS15N-FERTILIZANTE,

15N e

15N2

SOJA

FEIJÃO

AMENDOIM

ERVILHA

FEIJÃO FAVA

SESBANIALEUCAENA

0-450

10-112

37-206

17-244

53-330

11-458

100-300

10

Fixação Biológica de N2

Bradyrhizobium elkanii suplementa nitrogênio ao solo

Soja nodulante e não nodulante Contribuição de 80 a 120 kg N ha-1

Glycine max L. (Merrill)

11

Produtividade e Sustentabilidade: Melhoramento e Produção

Fixação Biológica de N2 em Plantas de Pastagem

RAÍZES E BACTÉRIAS NA RIZOSFERA

BACTÉRIAS

ENDOFÍTICAS

12

CONSÓRCIO MILHO-FEIJÃO Solo Esterilizado (R-Gama)

13

FUNGOS MICORRÍZICOS EM ALFAFA


ASSOCIAÇÕES BENÉFICAS: BACTÉRIAS

Nodulação em Alfafa é Muito Eficiente

> 200 kg N ha-1 ano Alfafa

14

A FIXAÇÃO BIOLÓGICA DE N2

ureídeos fotossintatos

CUSTOS DA FBN Compensação > Taxa Fotossíntese e Retardamento da Senescência Foliar (Kaschuk et al. 2010)

RESPOSTAS • Fertilidade do solo (Tsai et al., 1993) • P, K, S (Divito e Sadras, 2014)

Graham et al. (2003)

Estirpes (5)

Controles (2)

Respostas à inoculação com estirpes selecionadas em dois cultivares de feijoeiro - Brasil

16

Diferentes categorias de mutantes que apresentam aumento de nódulos

Tolerante N

(Autoregulação)

Insensível Etileno

Insensível à Luz

Oka-Kira & Kawaguchi (2006) 17

Melhoramento da FBN – Nodulação

Influência do suprimento de P em parâmetros de nodulação e FBN em P. vulgaris

Graham et al. (2003)

Fixação Biológica de N2 (correlações): Alantoína, Fosfoenol piruvato carboxylase (PEPC) e Leghemoglobina, Glutamina sintetase, malato desidrogenase, acetil-CoA redutase.

18

Genótipo A

Genótipo B 3 V

ert

icilo

s

1 V

2 Verticilos 3 Verticilos Genótipos

Baixo P

P Médio

2 Verticilos 3 Verticilos Genótipos

Baixo P

Alto P

Número de Verticilos

Parte Aérea (g)

Baixo P

P Médio

Seleção para Eficiência no Uso de Fósforo P. vulgaris

Miguel et al. (2013)

20

Seleção para Tolerância a Stress Hídrico P. vulgaris

Raízes com nódulos ~300 genótipos

(Konzen, Gepts, Tsai)

Melhoramento Genético: Tolerância a Estresses Ambientais e Eficiência no Uso de Nutrientes

Cultivar convencional Genótipo tolerante a baixo P

Cinco linhagens para uso eficiente de fósforo e 10 a serem liberadas

J. Lynch – PSU (EUA) 21


Mapeamento Genético Assistido

por Marcadores: Busca de QTLs

22

Marcadores Moleculares

Phaseolus vulgaris L.

23

D7

CHI

D1390

Phs

D1861

D0190

17,3

1,8 3,6

20,9

Grupo de Ligação D7

MAPEAMENTO ASSISTIDO POR MARCADORES

Phaseolus vulgaris L.

Nodari R.O., Tsai S.M., Guzman P., Gilbertson R.L., Gepts P. 2003. Genetics 134:341-50.

Características

(Phaseolus vulgaris L.)

Doenças bacterianas

estimuladas pela adição de N-

mineral

Nodulação: herança quantitativa

dominante

Ausência de nodulação: herança

simples e recessiva

Bacteriose x nodulação:

seleção negativa

Phvul.006G075300

19.4

Phvul.006G127300 4.8

Phvul.006G127400

Stress up-regulated

NOD19

7.8 Phvul.005G176300

39.9

Phvul.005G176400

Phvul.005G176500

Phvul.005G179700

0.2

0.8

Phvul.004G150500

43.1

2.9

Phvul.003G128600

31.5

Phvul.003G162200

EARLY NODULIN 93

5.5

Phvul.003G173000 1.3

Phvul.003G277300

11.9

1.7

Phvul.002G087600

13.9

Phvul.002G124500

11.2

Phvul.002G197800

10.6

Phvul.002G330400

13.2

0.2

Phvul.001G000700 NAD DEPENDENT EPIMERASE/DEHYDRATASE

0.2

Phvul.001G074600

10.1

Phvul.001G092800

9.1

Phvul.001G180500

25.1

7.5

Chr 1 Chr 2 Chr 3

Chr 4 Chr 5

Chr 6

Nodulin cluster

LOCALIZAÇÃO CROMOSSÔMICA DE GENES CODIFICADORES DE NODULINAS , NODULIN-LIKE E OUTRAS PROTEÍNAS RELACIONADAS À NODULAÇÃO EM FEIJOEIRO

Extraído do Phytozome e transferido para MapDraw

Phvul.011G034300 3.

0 Phvul.011G053200 NAD DEPENDENT EPIMERASE/DEHYDRATASE

1.5

Phvul.011G118800

14.9

Phvul.011G142100

14.6

15.9

Phvul.010G000800

0.4

Phvul.010G017500

2.3

Phvul.010G017800

Phvul.010G017900

Phvul.010G018100

Phvul.010G022300

0.5

Phvul.010G022500

Phvul.010G035300

1.9

Phvul.010G035400

Phvul.010G035700

Phvul.010G039600

0.5

Phvul.010G086900 CATION EFFLUX PROTEIN/ ZINC TRANSPORTER

26.7

10.5

Phvul.009G084200 NAD DEPENDENT EPIMERASE/DEHYDRATASE

13.3

Phvul.009G120400 4.6

Phvul.009G165400

6.3

Phvul.009G184200 3.

0 Phvul.009G198400

EARLY NODULIN 93

2.2

Phvul.009G211900

2

5.6

Phvul.008G250500

56.5

2.5

Phvul.007G024700 1.8

Phvul.007G024800

Phvul.007G024900

Phvul.007G130500

29.3

Phvul.007G151000 6.1

Phvul.007G152300 0.2

Phvul.007G152500

Phvul.007G244600

11.0

Phvul.007G252200 0.7

1.9

Chr 7 Chr 8

Chr 9

Chr 10 Chr 11

GLUTAMINA SINTETASE

Stress up-regulated

NOD19 - cluster

26

Fungo Micorrízico Arbuscular

Milho

Rizobactéria Promotora

Crescimento – Bacillus subtilis

Arabidopsis thaliana

Rizobactérias

Hibridização in situ (GFP)


Rizobactérias

GFP


Micro-organismos na Rizosfera

Philippot et al. (2013) Nature Rev. Microbiol. (2013)1-11

Gene promotor VfLb29 que codifica o gene da symbiosina (simbioticamente induzido) em nódulos e em raízes micorrizadas

Marcação com gusA em raízes de M. truncatula transgênica

(Küster et al. 2007) (Desbrosses & Stougaard 2011)

28

Meta-Omics

Desenvolvimento de flores e frutos Resistência a doenças e estresse

Qualidade nutricional

Simbioses

Arquitetura da planta

Sequências de ESTs, BACs

Citogenética

Mapas Ligação/Físico

Micro-arranjos, QTLs

Transformação/MutagêneseProteômica

Bioinformática

Bioquímica e análises genéticas e fisiológicas de tratos selecionados

Genômica Estrutural

Genômica Funcional

Genética Evolutiva

Estudos sócio-econômicos

Base de Dados

Melhoramento

NOVAS LINHAGENS

30

Análise de Genes Funcionais em P. vulgaris

(Recchia , 2011)

31

A FISIOLOGIA DO ESTRESSE

32

Antes do estresse

Hídrico

Após

estresse

Columbia-0

Salk_020767C

Salk_020767C/

pK7

Columbia-0/

pK7

Columbia-0

pFEC2.1 #1

Salk_020767Cp

FEC2.1#13.1

Salk_020767Cp

FEC2.1#19.7

Salk_020767Cp

FEC2.1#23.7 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Col-0/pFEC2.1 #1 Salk_020767C/pFEC2.1#13.1

Salk_020767C/pFEC2.1#19.7

Salk_020767C/pFEC2.1#23.7

Ta

xa d

e S

obre

viv

ência

(%

)

Localização nuclear da proteína PvDREB6A fusionada a gfp, em células de tabaco transformadas por agroinfiltração

Taxa de sobrevivência das plantas transgênicas super-expressando o gene PvDREB6A após o déficit hídrico

(4 dias após)

Pereira, Tsai e Caldas (em preparação)


Integrando respostas transcricionais, metabolômicas e fisiológicas ao déficit hídrico (Panicum virgatum L.)

RECUPERAÇÃO SECA









34

Biomassa Microbiana e Manejo do Solo

Biomassa Microbiana e Produção

Kaschuk et al. (2010) Balota et al. (1998)

Aquisição Nutriente Crescimento & Desenvolvimento

Proteção contra Patógenos Tolerância a Estresses Abióticos

Fisiologia/Metabolismo Resposta Imune

O

BOM

MICROBIOMA DA

RIZOSFERA

Contaminantes Alimentares Fitopatógenos

O

MALVADO O

FEIO

Mendes et al. (2013) FEMS Microbiol Rev 37: 634–663

Mendes et al. (2011) Science 332, 1097

S = Solo Supressivo C = Solo com Rhizoctonia solani CS = C + 10% Solo Supressivo S50 = S + 50oC S80 = S + 80oC

Desvendando o Microbioma da Rizosfera em Solo Agrícola

Mendes et al. (2011) Science 332, 1097

Desvendando o Microbioma da Rizosfera em Solo Agrícola

Composição da Microbiota GeoChips

167,044 sondas distintas Cobertura de 395,894 genes de 1500

famílias gênicas

Processos Funcionais

A Meta-ômica em Estudos da Microbiota









40

Desafios

Sistema radicular, área foliar e arquitetura da planta/raiz

Maximização do potencial biológico dos micro-organismos

Tolerância a fatores do solo

(<P, >Al, <pH, >salinidade)

Tolerância a fatores de estresses ambientais (temperatura, seca)

Novos parâmetros de seleção

Melhoria da eficiência no uso de nutrientes e nutrição balanceada na cultura

Manejo integrado da cultura em uma agricultura sustentável com uso de fontes alternativas de nutrientes incluindo sistemas biológicos

Aproveitamento de biomassas e resíduos vegetais para reciclagem dos nutrientes exportados e produção de energia renovável

Redução dos atuais impactos ambientais


41

PERSPECTIVAS

O Maior Desafio:

O FOCO MULTIDISCIPLINAR

DA INTERAÇÃO PLANTA-MICROORGANISMOS

42

CENA/USP Fabiana Cannavan, Acácio Navarrete, Lucas Mendes, Danielle Caldas, Gustavo Recchia, Enéas Konzen, Ana Zakir Pereira, Clovis Borges, Beatriz Ferreira, Lucas Palman, Marina Dellias, Caio Yoshiura, Fernanda Nakamura, Andressa Venturini, Marcela Arnaldo, Aline França, Marilia Reichert

COLABORADORES

APTA-IAC: Alisson Chiorato, Sérgio Carbonell

ESALQ-USP: Maria Lúcia Carneiro, Luiz E. Camargo

EMBRAPA-CNPAF: Michael Thung, Rosana Brondani

UC-Davis: Paul Gepts, Maeli Melotto, Jorge Rodrigues

University of Missouri: Jay Thelen

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