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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
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
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
Produtividade e Sustentabilidade: Melhoramento e Produção
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
Produtividade e Sustentabilidade: Melhoramento e Produção
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)
Arabidopsis thaliana
Rizobactérias
GFP
Arabidopsis thaliana
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)
Arabidopsis thaliana
Integrando respostas transcricionais, metabolômicas e fisiológicas ao déficit hídrico (Panicum virgatum L.)
RECUPERAÇÃO SECA
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
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
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
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
Considerações Finais
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
43