Documentos254ISSN 1517-8498

Setembro/2008

Associações entreTérmitas e Microrganismos

Documentos 254

ISSN 1517-8498Setembro/2008

Empresa Brasileira de Pesquisa AgropecuáriaCentro Nacional de Pesquisa em AgrobiologiaMinistério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento

Associações entre Térmitas e Microrganismos

Maria Elizabeth Fernandes CorreiaElen de Lima Aguiar-MenezesAdriana Maria de Aquino

Seropédica – RJ2008

Exemplares desta publicação podem ser adquiridas na:

Embrapa AgrobiologiaBR 465 – km 7Caixa Postal 7450523851-970 – Seropédica/RJ, BrasilTelefone: (0xx21) 3441-1500Fax: (0xx21) 2682-1230Home page: www.cnpab.embrapa.bre-mail: sac@cnpab.embrapa.br

Comitê Local de Publicações: Eduardo F. C. Campello (Presidente)José Guilherme Marinho GuerraMaria Cristina Prata NevesVeronica Massena ReisRobert Michael BoddeyMaria Elizabeth Fernandes CorreiaDorimar dos Santos Felix (Bibliotecária)

Expediente:Revisores e/ou ad hoc: Mariella Camardelli Uzêda e MarcoAntônio de Almeida LealNormalização Bibliográfica: Dorimar dos Santos FélixEditoração eletrônica: Marta Maria Gonçalves Bahia

1ª impressão (2008): 50 exemplares

Embrapa 2008

C824a Correia, Maria Elizabeth FernandesAssociação entre térmitas e microrganismos / Elen de Lima Aguiar-Menezes,

Adriana Maria de Aquino. Seropédica: Embrapa Agrobiologia, 2008. 20 p.(Documentos / Embrapa Agrobiologia, ISSN 1517-8498; 254)

1. Cupim. 2. Praga de planta. 3. Microrganismo. I. Aguiar-Menezes, E. deL., colab. II. Aquino, A. M. de, colab. III. Embrapa. Centro Nacional de Pesquisade Agrobiologia (Seropédica, RJ). IV. Título. V. Série.

CDD 595.736

Autores

Maria Elizabeth Fernandes CorreiaBióloga, PhD em Ciência do Solo, Pesquisadora da EmbrapaAgrobiologia.BR 465, km 7 – Caixa Postal 74505, Cep 23851-970,Seropédica/RJe-mail: ecorreia@cnpab.embrapa.br

Elen de Lima Aguiar MenezesEngenheira Agrônoma, Ph.D. em Entomologia,Pesquisadora da Embrapa AgrobiologiaRodovia BR 465, km 7, Caixa Postal 74505, Cep: 23851-970Seropédica, RJe-mail: menezes@cnpab.embrapa.br

Adriana Maria de AquinoBióloga, PhD em Ciência do Solo, Pesquisadora da EmbrapaAgrobiologia.BR 465, km 7 – Caixa Postal 74505, Cep 23851-970,Seropédica/RJe-mail: adriana@cnpab.embrapa.br

Apresentação

As atitudes de usar com responsabilidade os recursos naturais (solo, água, ar, flora, fauna,energia), de preservar e conservar a natureza são cada vez mais necessárias para asociedade moderna acarretando em uma busca constante por sistemas de produçãoagropecuários apoiados em princípios ecológicos e naturais.

Dentro desse cenário, a Embrapa Agrobiologia construiu o seu atual plano diretor depesquisa (2008-2011), desenvolvimento e inovação com a seguinte missão “gerarconhecimentos e viabilizar tecnologias e inovação apoiados nos processos agrobiológicos,em benefício de uma agricultura sustentável para a sociedade brasileira”.

A série documentos nº 254 intitulada “Associações entre térmitas e microrganismos”descreve relações complexas existentes entre componentes da fauna do solo e que podemocorrem no interior do tubo digestivo dos cupins. Algumas dessas interações produzemsimbioses tripartites com o envolvimento benéfico para cupins, bactérias e protozoários. Aocorrência de bactérias fixadoras de nitrogênio no trato digestivo de térmitas facilitando adecomposição do alimento lignocelulósico dos quais estes insetos retiram nutrientes para asobrevivência é um registro biológico recentemente descrito e que também consta nestapublicação. As informações aqui disponíveis podem estimular estudantes, técnicos epesquisadores a aprofundarem seus conhecimentos na temática dos processosagrobiológicos em prol de um manejo sustentável dos agroecossistemas.

Eduardo Francia Carneiro CampelloChefe Geral da Embrapa Agrobiologia

SUMÁRIO

Introdução................................................................................................... 7

Classificação Funcional dos térmitas ......................................................... 8

Associações com microrganismos ............................................................. 9Protozoários............................................................................................. 10Bactérias .................................................................................................. 10Simbioses tripartites................................................................................. 11Fungos ..................................................................................................... 12

Fixação de N em térmitas........................................................................... 14

Considerações finais .................................................................................. 16

Referências Bibliográficas .......................................................................... 16

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Associações entre Térmitas e MicrorganismosMaria Elizabeth Fernandes Correia

Elen de Lima Aguiar-MenezesAdriana Maria de Aquino

IntroduçãoOs térmitas ou cupins são um importante grupo de insetos terrestres eum dos mais importantes e ativos decompositores de materiais ricosem lignocelulose, especialmente em regiões tropicais (OHKUMA,2003). Esta habilidade que é fundamental para o funcionamento doecossistema também os torna capazes de atacar materiais deinteresse econômico com elevada relação C:N, como ocorre com oscupins de madeira seca, ou os que são praga de cana-de-açúcar eeucalipto (CAMPOS et al., 1998). Esta capacidade também permiteque em alguns ecossistemas degradados, e portanto com baixadisponibilidade de nutrientes e matéria orgânica, os térmitas sejampraticamente os únicos invertebrados capazes de colonizar o ambientedo solo e decompor a matéria orgânica (OUÉDRAOGO et al., 2004).

Além disso, a estratégia de se alimentar de materiais ricos emlignocelulose, muito abundantes na natureza, permitiu que surgissemuma série de associações simbióticas entre térmitas emicrorganismos, e entre os próprios microrganismos que utilizam otubo digestivo dos térmitas como habitat, proporcionando viasmetabólicas de processamento de carbono e fixação de N que atépouco tempo eram desconhecidas.

Ainda que praticamente quase todas as espécies se alimentem dematerial vegetal morto, há um certo grau de especialização trófica, emque ocorre não só a seleção do substrato (madeira, serrapilheira,solo), mas também o grau de humificação da matéria orgânica(EGGLETON & TAYASU, 2001). A especialização trófica estádiretamente relacionada à composição da comunidade microbianaassociada aos ninhos e ao tubo digestivo dos indivíduos. Algumastendências inclusive são características de famílias inteiras, o quedemonstra uma coevolução entre os simbiontes microbianos e asespécies hospedeiras. Um bom exemplo disso é a simbiose comprotozoários flagelados que só ocorre nos térmitas inferiores. Nossuperiores, representados pela família Termitidae, o papel funcional

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dos flagelados é substituído por fungos e principalmente porprocariotos.

Este documento tem como objetivo apresentar um pouco dacomplexidade das interações entre alguns grupos de térmitas emicrorganismos, em particular os fixadores de N atmosférico.

Classificação funcional dos térmitasA identificação de padrões funcionais tem como finalidade avaliarquais funções ecológicas são desempenhadas por quais agentes emensurar a magnitude desses processos. No caso dos térmitas, asclassificações funcionais existentes contemplam: os tipos de atividadeassociadas aos ninhos, se apenas alimentar ou nidificação, ou ambas(ABE, 1987); os grupos tróficos, com base no conteúdo digestivo e naanatomia e morfologia da casta de operárias (DONOVAN et al., 2001)e uma terceira classificação que tenta reunir o modo de vida com otipo de recurso alimentar (EGGLETON & TAYASU, 2001).

Do ponto de vista dos processos de decomposição e ciclagem denutrientes, a classificação funcional de DONOVAN et al. (2001) ésatisfatória, já que contempla o tipo de recurso e o seu estado dedecomposição, além do que é mais simples do que a classificaçãofuncional de EGGLETON & TAYASU (2001). Nesta classificação sãoidentificados quatro grupos funcionais. São eles:

1. Grupo trófico I – compreende os que se alimentam de madeira,serapilheira e gramíneas, mas não pertencem à família Termitidae(térmitas inferiores);

2. Grupo trófico II – representantes da família Termitidae (térmitassuperiores) que alimentam-se de madeira, serapilheira e gramíneas;

3. Grupo trófico III – alimentam-se de madeira em avançado estado dedecomposição ou de solos com elevado teor de matéria orgânica(apenas Termitidae);

4. Grupo trófico IV – são os “verdadeiros geófagos”, pois alimentam-sede solo com baixos teores de matéria orgânica.

Na verdade, esta classificação também reflete um gradiente dehumificação da matéria orgânica, e consequentemente um gradiente

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de quantidade e qualidade destes recursos orgânicos. Nos recursospouco decompostos, explorados pelos grupos tróficos I e II, há umamaior quantidade disponível, embora a relação C:N possa ser elevada,como no caso da madeira. Por outro lado, os grupos tróficos III e IV,embora estejam sujeitos a uma menor concentração do recurso, arelação C:N não é tão limitante (EGGLETON & TAYASU, 2001).

A história evolutiva que permitiu a exploração eficiente destes recursosenvolveu não somente a anatomia, morfologia e metabolismo dasespécies de térmitas, mas também a sua distribuição geográfica, aseleção de habitats, a evolução de padrões comportamentais e,sobretudo a coevolução com diferentes tipos de microrganismos.

Associações com microrganismosAs simbioses entre térmitas e microrganismos são conhecidas, aomenos parcialmente, desde de 1923, em que L. R. Clevelanddemonstrou em uma série de artigos, a simbiose entre protozoáriosflagelados e térmitas inferiores (MOORE, 1969). Através destestrabalhos pioneiros, Cleveland observou que os simbiontes ingeriampartículas de madeira que eram fragmentadas pelo hospedeiro,convertendo a celulose à glicose e posteriormente a glicogênio. Todosos metabólitos eram produzidos em excesso para as necessidadesdos protozoários, permitindo que fossem utilizados pelos térmitas(MOORE, 1969).

No caso dos térmitas superiores (Família Termitidae), MOORE (1969)afirma em revisão sobre processos bioquímicos em térmitas, queapesar de se ter demonstrado que havia atividade celulolítica emespécies desta família, não era possível afirmar se as celulases eramoriundas dos térmitas ou de sua flora intestinal. Nesta época já era umfato bem conhecido a ausência de flagelados em espécies deTermitidae.

Atualmente, com a ajuda de técnicas moleculares foi possível avançarbastante no conhecimento sobre as simbioses entre microrganismos etérmitas. As bactérias são extremamente diversas e abundantes notubo digestivo dos térmitas, tanto inferiores quanto superiores. Foramobservadas inclusive simbioses tripartites, ou seja, com trêsorganismos diferentes, envolvendo térmitas, protozários flagelados e

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bactérias aderidas aos protozoários. A seguir serão brevementedescritas algumas destas simbioses.

ProtozoáriosA associação entre cupins e protozoários flagelados celulolíticos é umexemplo clássico e bem estudado de simbiose. A maior parte destesflagelados está restrita ao tubo digestivo dos térmitas inferiores e debaratas que se alimentam de madeira (NODA et al., 2007). Estesprotistas pertencem a Classe Parabasalea (incluindo as ordensTrichomonadida e Hypermastigida) e a ordem Oxymonadida (MORIYAet al., 2001).

Esta simbiose é de tal forma importante para os térmitas que umagrande porção do volume do intestino posterior (o que equivale acerca de um terço do peso corpóreo do cupim) é colonizado porflagelados. As partículas de madeira que são fragmentadas pelotérmita são fagocitadas e degradadas pelos protozoários (BRUNE &FRIEDRICH, 2000). As operárias carregam o alimento digerido para oninho e o regurgitam para alimentar as ninfas, soldados ereprodutivos. Este processo chamado trofolaxis é um mecanismocomportamental que também garante a inoculação dos flagelados(GRASSÉ, 1982).

BactériasApesar de seu pequeno tamanho, os térmitas abrigam em seuintestino uma diversidade impressionante de microrganismos. Um dosfatores que contribui para isso é o fato de que o tubo digestivo dessesinsetos é altamente compartimentalizado (Figura 1) com um fortegradiente de condições físico-químicas, tais como pH e oxigêniodissolvido (YANG et al., 2005). Mesmo nos térmitas que se alimentamde madeira e que não possuem uma compartimentalização tãoevidente, ainda assim a diversidade associada é considerável(OHKUMA & KUDO, 1996).

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Figura 1. Tubo digestivo isolado do térmita australiano Mastotermes darwinensis. Barra = 5 mm. F=intestino anterior com glândulas salivares, esôfago, moela e papo; M= intestino médio; MT=Túbulos de Malpighi; H= intestino posterior; P1= segmento proctodeal seguido pela válvula

entérica; P3 = pança; P4 = cólon; P5= reto (modificado de KÖNIG, 2006).

WARNECKE et al. (2007) realizaram uma análise metagenômica dacomunidade bacteriana residente na porção do intestino posteriorconhecida como pança do térmita xilófago Nasutitermes sp., querevelou a ocorrência de representantes de 12 filos e 216 filotipos debactérias. Dentre estes, os 24 filotipos mais freqüentementerecuperados pertenciam ao gênero Treponema ou ao FiloFibrobacteres. Além disso, neste mesmo estudo, doze genshomólogos nifH foram identificados, evidenciando a presença debactérias fixadoras de N associadas a este inseto.

Em outro estudo sobre a diversidade da comunidade bacteriana emquatro espécies de térmitas superiores pertencentes a vários gruposfuncionais, foi observada a dominância de Firmicutes (Clostridia eBacilli), embora a composição filogenética tenha variado entre asespécies de térmitas (THONGARAM et al., 2005).

Simbioses tripartitesUma das descobertas mais importantes e surpreendentes em estudossobre a ecologia microbiana do tubo digestivo dos térmitas é asimbiose entre protozoários flagelados do intestino de térmitas ebactérias. É uma simbiose tripartite que envolve o térmita, oprotozoário e a bactéria simbionte intracelular do protista (NODA et al.,2007). Estas bactérias descritas pela primeira vez em um trabalho deOHKUMA & KUDO (1996) representam um grupo designado “Termite

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Group I” muito abundante no tubo digestivo de térmitas, que não temrepresentantes culturáveis e que tem sido proposto como candidato aum novo filo de bactérias (OHKUMA et al., 2007).

Além disso, alguns estudos têm relatado também a presença deectosimbiontes destes protistas, principalmente espiroquetas dogênero Treponema (IIDA et al., 2000; NODA et al., 2003; GRABER etal., 2004) (Figura 2). Em termos funcionais algumas dessas bactériassão capazes de realizar acetogênese a partir de CO2, o que tem umefeito benéfico para o térmita, no caso específico de Zootermopsisangusticollis, o acetato é a sua principal fonte de carbono e energia(LEADBETTER et al., 1999). Estudos ultraestruturais já tinhamobservado a mais de 30 anos que haviam locais preferenciais deancoramento das espiroquetas nos protozoários (SMITH et al., 1975).

Figura 2. Detecção por hibridizaçao in situ de espiroquetas aderidas a protozoários do tubodigestivo de térmitas. A1-A4 : protozoário Dinenympha porteri asociado ao cupim Reticulitermes

speratus. B1-B4: protozoário Pyrsonympha sp. em Hodotermopsis sjoestedti (modificado de NODAet al., 2003).

FungosA primeira menção a ninhos de cupins em que foram observadoscultivos de fungos, em inglês “fungus combs” ou “fungus gardens” foifeita por J.G. Köning em 1779, nos arredores da vila de Tanschaur, naÍndia (GRASSÉ, 1982).

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Atualmente são conhecidas 330 espécies de térmitas que cultivamfungos simbioticamente em seus ninhos, distribuídas em 12 gênerosda subfamília Macrotermitinae, família Termitidae (AANEN et al.,2007). Até o momento todas as espécies conhecidas são origináriasda África ou Ásia, não possuindo nenhum representante dasAméricas. As operárias alimentam-se de material celulósico, portantorico em carbono, usam as fezes para construir a estrutura do ninho,que por sua vez, é colonizada por fungos basidiomicetos do gêneroTermitomyces. Após algumas semanas, o fungo começa a produzirestruturas vegetativas, chamadas nódulos, que são consumidos peloscupins (Figura 3) (AANEN et al., 2007). A biomassa do fungo é ummaterial muito mais rico em nitrogênio do que a matéria vegetal. Destaforma, este tipo de simbiose é uma das soluções encontradas pelostérmitas para garantir um aporte de nitrogênio satisfatório.

Este tipo de simbiose evoluiu duas vezes entre os insetos sociais,entre os térmitas da região Paleotropical e os Termitomyces entre 24 e34 milhões de anos e entre formigas da região neotropical e diversosbasidiomicetos a cerca de 50 milhões de anos. É interessante o fatode que não foram observadas ao longo da evolução, reversões ao tipode vida ancestral, o que sugere que este tipo de especialização trazgrandes vantagens para os organismos envolvidos (AANEN &BOOMSMA, 2006). Fósseis desses fungus combs com 7 milhões deanos foram encontrados pela primeira vez no Chade e apresentamestrutura muito semelhante à dos ninhos de térmitas atuais(DURINGER et al., 2006).

Figura 3 – Ninho do térmita Macrotermes bellicosus com nódulos de Termitomyces que contémesporos (AANEN & BOOMSMA, 2006). Foto: J. Renoux

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Este tipo de simbiose, além de beneficiar os organismos diretamenteenvolvidos traz benefícios para o ecossistema. JOUQUET et al. (2005)demonstraram que o acúmulo de nutrientes nos ninhos promovia umcrescimento maior das plantas em relação ao suprimento mineral dosmesmos, via adubação.

Fixação de N em térmitasOs térmitas são um dos poucos artrópodes terrestres capazes de fixarnitrogênio atmosférico em simbiose com bactérias mutualistas quevivem em seu tubo digestivo, compensando dessa forma, a baixaconcentração deste nutriente no alimento lignocelulósico do qual sealimentam (YAMADA et al., 2007). Alguns trabalhos citam algumasespécies de outros insetos terrestres na qual já foi demonstrada afixação simbiótica de N, tais como o besouro xilófago Dorcus(Macrodorcus) rectus (Família Lucanidae) (KURANOUCHI et al., 2006)e a mosca-das-frutas Ceratitis capitata (BEHAR et al., 2005).Entretanto, à luz do conhecimento atual estes parecem ser casosisolados, e não uma tendência generalizada nas famílias ou ordens.

Nos térmitas, a associação com bactérias fixadoras de N parece ter sedesenvolvido há muito tempo no processo evolutivo dos térmitas, jáque se encontra presente nas famílias mais primitivas comoMastotermitidae, Termopsidae e Kalotermitidae. Também já foiconfirmada em famílias mais derivadas dos térmitas inferiores, comoRhinotermitidade, além de subfamílias dos térmitas superiores, taiscomo: Macrotermitinae, Termitinae e Nasutitermitinae (YAMADA et al.,2007).

OHKUMA et al. (1999) investigaram por métodos moleculares adiversidade de gens nifH, presentes no tubo digestivo de noveespécies de térmitas no Japão pertencentes a quatro famílias. Deacordo com estes autores, a maior parte das sequências de nifH dasseis espécies de térmitas inferiores, que apresentaram níveissignificativos de fixação de nitrogênio, podem ser associadas ao grupodos anaeróbios ou dos metanogênicos. No caso das três espécies detérmitas superiores, que apresentaram baixos níveis de fixação de N,um grande número de seqüências foi associada ao grupofilogeneticamente mais divergente. É provável que haja uma outrafuncionalidade além da fixação de N para os microrganismos

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portadores destas seqüências, e que provavelmente estes sejamderivados dos archae metanogênicos (Tabela 1).

Uma prova de que o conhecimento sobre a simbiose entre térmitas ebactérias fixadoras de N ainda é incipiente é o recente isolamento dorizóbio Ensifer adherens do tubo digestivo de Nasutitermes nigricepsque demonstrou capacidade de nodular Pisum sativum, Sesbaniasesban e Trigonella foenumgraecum ( FRÖHLICH et al., 2007).

Em uma visão mais ecossistêmica, YAMADA et al. (2006) avaliaram afixação de N mediada por térmitas em duas florestas tropicais naTailândia e observaram que apesar de que a taxa de N fixado sejainferior a que ocorre em plantas e seus simbiontes, ou até mesmo quea fixação assimbiótica, esta tem um papel fundamental no processo dedecomposição. Da mesma forma, os térmitas representam umaimportante fonte de nutrientes, inclusive N para diversos vertebrados,ao longo das cadeias alimentares.

Tabela 1- Classificação de clones do gen nifH da comunidade demicrorganismos simbióticos de térmitas em grupos filogéneticos(adaptado de OHKUMA et al., 1999).

Espécies de Térmitas Família Proteo-cyano Anaeróbios Anf-

metanoPseudo

nif Outros AFN*

Térmitas InferioresReticulitermes speratus Rhinotermitidae 1 18 0 3 0 16Coptotermes formosans Rhinotermitidae 0 23 0 1 0 79Neotermes koshunensis Kalotermitidae 3 5 10 4 0 210Cryptotermes domesticus Kalotermitidae 0 8 10 4 0 33Glyptotermes fuscus Kalotermitidae 0 12 2 6 4 31Hodotermopsis sjoestedti Termopsidae 0 1 22 0 0 34

Térmitas SuperioresNasutitermes takasagoensis Termitidae 0 11 0 12 0 0.7Odontotermes formosanus Termitidae 0 0 1 23 0 ND #

Pericapritermes nitobei Termitidae 0 2 0 20 0 2.5* AFN – Atividade de fixação de nitrogênio expressa em nmol de C2H4 formada/ h/g [ peso úmido].# ND – não detectada.

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Considerações finaisOs térmitas representam um modelo interessante de múltiplasassociações simbióticas com microrganismos e como estemetabolismo conjunto pode interferir tanto nos processos evolutivosdas espécies quanto nos ecossistemas. Além disso, parte daprospecção de microrganismos dessas associações tem por objetivodescobrir novas rotas metabólicas que sejam eficientes em processarcarbono e sejam em futuro não muito distante usadas na produção deenergia. Por fim, o estudo destas interações se revela em um grandedesafio para entender a possível diversidade e complexidade existenteem um habitat cujo volume é de cerca de 1µl.

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