Um novo artigo que aparece na Academia Nacional das Ciências dá novos detalhes e compreensão ao cultivo de milho, uma das maiores culturas de rendimento dos Estados Unidos. A investigação de uma equipe da Universidade de Kansas centra-se no "vigor híbrido", também conhecido como "heterose", um fenómeno bem conhecido onde os cruzamentos entre linhas consanguíneas de milho e outras culturas produzem descendentes que superam os seus pais em rendimento, resistência à seca e outras qualidades desejáveis. No entanto, os mecanismos subjacentes à heterose são pouco compreendidos, apesar de mais de um século de investigação intensiva.
A nova investigação PNAS examina a relação entre a heterose e os micróbios do solo, mostrando, na maioria dos casos, que a heterose é facilitada por uma comunidade microbiana.
"O vigor híbrido é super importante na agricultura porque uma das razões para os grandes aumentos na produtividade das culturas nas últimas décadas tem sido a utilização de cultivares híbridas, que tendem a ser muito mais produtivas e mais fortes e saudáveis do que as cultivares consanguíneas", disse a autora principal Maggie Wagner, cientista assistente no Kansas Biological Survey & Center for Ecological Research e professora assistente no Departamento de Ecologia & Biologia Evolutiva da KU. "Apesar da importância disto, ainda não compreendemos bem porque é que os híbridos são tão superiores aos consanguíneos. Tem sido dada muita atenção à genética do vigor dos híbridos, o que faz sentido porque a hibridação é um processo genético - mas tem havido algumas provas de que o ambiente também é importante para afetar a força do vigor dos híbridos.
Neste artigo, mostrámos que os micróbios que vivem no solo são um dos fatores ambientais que têm um efeito realmente importante no vigor dos híbridos". Numa série de experiências, Wagner e os seus co-autores encontraram, na maioria dos casos, linhas-mãe consanguíneas e cruzamentos híbridos que funcionam de forma semelhante em condições estéreis, sem a presença de micróbios - mas a heterose "pode ser restaurada por inoculação com uma simples comunidade de sete estirpes bacterianas". Os investigadores viram os mesmos resultados para as plântulas inoculadas com "chorumes autoclavados versus solo vivo numa câmara de crescimento e para as plantas cultivadas em solo vaporizado ou fumigado versus solo não tratado no campo".
Os co-autores de Wagner na KU foram Kayla Clouse e Laura Phillips. Outros co-autores foram Clara Tang, Fernanda Salvato, Alexandria Bartlett, Simina Vintila, Manuel Kleiner, Mark Hoffmann, Shannon Sermons e Peter Balint-Kurti na Universidade Estadual da Carolina do Norte. Sermons e Balint-Kurti também trabalham com o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos. "Em experiências de laboratório, cultivámos essencialmente as plantas dentro de sacos de plástico, a fim de lhes proporcionar um ambiente completamente estéril", disse Wagner.
"Isso permitiu-nos controlar completamente quais os micróbios, se é que existiam, que interagiam com as plantas". Portanto, é apenas uma microbiologia básica, juntamente com um novo tipo de ambiente de crescimento. Mas depois, no terreno, tentámos várias abordagens diferentes para esterilizar o solo, incluindo apenas a fumigação a vapor, que é utilizada frequentemente, especialmente na produção de frutas e legumes. Não é geralmente utilizado para o crescimento do milho, mas para esta experiência fazia sentido que o fizéssemos. E tentámos também alguns fumigantes químicos, e obtivemos resultados semelhantes com todos esses métodos". Na experiência de vaporização do solo na Estação de Campo KU - que elimina ou reduz temporariamente os micróbios - os investigadores descobriram que a vaporização "aumentou em vez de diminuir a heterose, indicando que a direção do efeito depende da composição da comunidade, do ambiente ou de ambos". "É complicado, e ainda não compreendemos totalmente o que se está a passar", disse Wagner. "As três primeiras experiências mostraram todas exatamente a mesma direção do efeito. Mas depois para a quarta experiência, descobrimos novamente que os micróbios influenciaram a heterose, mas foi na direção oposta, onde o híbrido teve uma reação mais positiva a condições estéreis.
Pensamos que isto pode ser apenas devido a alguma coisa particular à comunidade microbiana no solo para esta única experiência, mas ainda não temos a certeza". O novo trabalho deverá ser seguido de investigação na mesma linha, apoiada por uma nova bolsa de 900.000 dólares da National Science Foundation, envolvendo muitos do mesmo pessoal, sendo Wagner um dos principais investigadores. O trabalho da bolsa seguirá três linhas de investigação: testar uma gama de micróbios para a sua capacidade de aumentar o vigor híbrido no milho; encontrar variantes genéticas e regiões do genoma do milho que respondem aos micróbios do solo; e investigar como os micróbios se comportam dentro das raízes do milho consanguíneo e híbrido a nível molecular. Os investigadores esperam que o seu trabalho possa conduzir a melhores técnicas na agricultura e conservação.
"Temos esta observação muito básica dos micróbios que afetam o vigor dos híbridos, mas não fomos capazes de lhe dar seguimento sem algum financiamento - esta bolsa vai fazer avançar a mesma linha de investigação", disse Wagner. "Os meus colaboradores são Manuel Kleiner da N.C. State, especialista em metaproteómica, que é uma forma de medir a expressão proteica dos micróbios dentro das raízes das plantas. Esperamos aprender mais sobre como os híbridos e os consanguíneos estão a interagir com os micróbios de forma diferente, possivelmente influenciando o comportamento dos micróbios.
O nosso outro colaborador é Peter Balint-Kurti com o USDA. Ele é um especialista no sistema imunitário do milho e na base genética da resistência a doenças, por isso vai mapear alguns genes relacionados com as respostas dos híbridos aos micróbios. Aqui no Kansas, uma estudante graduada no meu laboratório, Kayla Clouse, irá analisar alguns dos padrões mais amplos deste fenómeno - por exemplo, ainda não sabemos se todos os híbridos de milho irão reagir aos micróbios da mesma forma. Até agora, só confirmámos isto num híbrido, pelo que precisamos de descobrir o quão generalizável é - e esperamos também descobrir o que é que tem a comunidade microbiana que pode afetar esta resposta em qualquer direção. Muito do seu futuro trabalho de dissertação estará relacionado com este projeto".
