Microbioma vegetal: interações, mecanismos de ação e aplicações

Uma melhor compreensão do microbioma vegetal provavelmente renderá aplicações valiosas na agricultura, horticultura, silvicultura e na conservação de comunidades de plantas naturais. A microbiota simbiótica das plantas está envolvida em tudo, desde a aquisição de nutrientes até o aumento dos sistemas de defesa durante os períodos de estresse biótico e abiótico. Um grande corpo de pesquisa mostrou que as interações entre as plantas e seus microbiomas são altamente complexas e dinâmicas por natureza ( Abhilash et al., 2016 ; Compant et al., 2019 ; Srivastava et al., 2021 ).

Estresses bióticos e abióticos representam uma ameaça contínua e principal para a produção global de alimentos e fibras ( Dean et al., 2012 ; Santoyo et al., 2017 ;Begum et al., 2019 ; Gamalero et al., 2020 ). Nosso objetivo é manter a produtividade da planta gerenciando o microbioma para que os estresses bióticos e abióticos sejam minimizados. Este foco de pesquisa está produzindo percepções que devem levar a um melhor manejo de plantas agrícolas, especialmente em sistemas agrícolas com recursos limitados (Begum et al., 2019 ; Gamalero et al., 2020 ; Vescio et al., 2021).

Em outras palavras, o sucesso da implementação da proteção de cultivos mediada por microbiota dependerá da compreensão mecanicista de como os microrganismos interagem com seus hospedeiros e uns com os outros em ambientes naturais. Considerando esses desenvolvimentos, nosso Tópico de Pesquisa "Microbioma de Plantas: Interações, Mecanismos de Ação e Aplicações" oferece um instantâneo oportuno de 25 artigos sobre pesquisa de microbioma de plantas com um foco especial na especificidade, diversidade e função de comunidades microbianas complexas associadas direta ou indiretamente com a planta (isto é, comunidades endofíticas, epifíticas e rizosféricas). Inclui a tradução da compreensão molecular da pesquisa do microbioma vegetal. No geral, propomos novas estratégias e aplicações de micróbios promotores de crescimento, fungos micorrízicos arbusculares (AM),

A simbiose micorrízica arbuscular (AM) é um antigo mutualismo com significado global para mais de 80% de todas as espécies de plantas e suas comunidades dependentes. Nesse contexto, e nesta edição especial, Zhang et al. revelam que a inoculação de Rhizophagus irregularis melhora o crescimento da planta, aumentando a simbiose AM, estimulando a resposta antioxidante e inibindo a absorção de chumbo. Eles relatam a melatonina como um regulador potente do crescimento das plantas que fortalece a simbiose AM e a tolerância aos metais pesados. Ding et al. expandir nosso conhecimento da regulação das relações planta-patógeno examinando o efeito antagônico do fungo AM (Sieverdingia tortuosa) contra o patógeno da antracnose (Colletotrichum lentis) de ervilhaca (Vicia sativa L.). O fungo AM ativou a biossíntese de fenilpropanóide e a cascata de sinalização da proteína quinase ativada por mitogênio (MAPK) para fortalecer o sistema de defesa da planta contra a invasão de patógenos. Além disso, o trabalho de Bukovská et al. ilustram o papel dos fungos AM como recicladores eficientes de nutrientes ligados em formas orgânicas do solo às plantas.

Bactérias diazotróficas são componentes importantes de muitos microbiomas. Eles têm o potencial de penetrar nos tecidos internos das plantas e funcionar como minifábricas de nitrogênio endofíticas (Imran et al.). Além disso, eles também contribuem para a promoção do crescimento das plantas e controle biológico, conforme revelado pelo estudo de Singh, Singh , Guo et al.

Este último analisou e identificou os genes envolvidos na promoção do crescimento e biocontrole de patógenos fúngicos da cana-de-açúcar, endófito associado à raiz ( Pseudomonas aeruginosa cepa “B18”). Insights semelhantes foram fornecidos por Singh, Singh , Li et al. que documentou o papel das bactérias diazotróficas (ou seja, Pantoea dispersa eEnterobacter asburiae ) na promoção do crescimento da cana-de-açúcar induzindo a absorção de nitrogênio e genes de defesa. Da mesma forma, Solanki et al. lançar luz sobre a composição microbiana, distribuição e dinâmica de diazotróficos no sistema consorciado de leguminosas da cana-de-açúcar;

O consórcio da cana-de-açúcar com leguminosas e hortaliças de curta duração aumentou a fertilidade do solo e a fixação biológica de nitrogênio, sem qualquer impacto negativo na produção agrícola. Da mesma forma, Choudhary et al. explorou a comunidade bacteriana da camada superficial do solo e a dinâmica dos nutrientes em sistemas agroalimentares baseados em cereais e climáticos inteligentes. Ficou claro que os micróbios exercem uma influência positiva na resiliência do solo em termos de ciclagem de nutrientes e disponibilidade para as plantas.

Em ecossistemas florestais, comunidades microbianas, particularmente comunidades de fungos, foram documentadas com uma abordagem de metabarcoding. Fatores ambientais (por exemplo, propriedades sazonais e do solo) e espécies de árvores hospedeiras foram explorados como possíveis determinantes da estrutura da comunidade ( Park, Oh, Yoo , Fong et al. ). Outro estudo de Park, Oh, Yoo , Park et al. retratou a composição e a interação do microbioma fúngico da raiz de Pinus densiflora com [o valioso] cogumelo do pinheiro (Tricholoma matsutake). Os autores concluíram que a mudança sucessional desempenha um papel importante na composição do microbioma fúngico em mudas de pinheiro durante o transplante e os estágios de crescimento das mudas. Tricholoma matsutake é um fungo ectomicorrízico que produz cogumelos comestíveis. Mas não apenas fatores ou propriedades abióticos modulam o microbioma da planta; patógenos fúngicos transmitidos pelo solo também podem. Por exemplo, Phytophthora cinnamomi não só causa podridão radicular em abacateiros, mas também pode modificar a composição do microbioma da rizosfera, aumentando a abundância de patógenos fúngicos oportunistas ( Solís-García et al. ). Da mesma forma, Chen et al. notaram um processo no qual a diversidade do microbioma foliar foi reduzida. Curiosamente, Newcombe et al. revelou que as plantas podem hospedar patógenos de seus concorrentes. Um patógeno em particular, Fusarium culmorum, estava presente como endófito em folhas assintomáticas de choupos silvestres, ao mesmo tempo em que retinha a capacidade de causar doenças no trigo da região. Tem havido pouca investigação sobre os efeitos do microbioma na competição das plantas, talvez em parte porque as plantas concorrentes em campos agrícolas são controladas mecanicamente ou quimicamente.

Barajas et al. explorou o papel do solo na estruturação do microbioma, empregando um modelo de duas etapas de aquisição do microbioma da raiz da planta sob várias espécies de plantas e fontes de solo. Eles concluíram que os trade-offs da domesticação da planta impulsionam as diferenças metagenômicas ruderais e do tomate e que podem até ser o fator decisivo para os resultados da interação planta-bactéria. Usando o mesmo modelo de planta (ou seja, tomate), Haque et al. destacam as vantagens das bactérias produtoras de biofilme no alívio do estresse hídrico, juntamente com atributos de promoção de crescimento de plantas e recursos de supressão de doenças. Silva et al. focado em aspectos fenotípicos e genômicos dos microrganismos solubilizadores de fósforo potenciais como bioinoculantes na agricultura. Sorokan et al.examinaram o papel do Bacillus spp. endofítico . como agentes de biocontrole para o manejo de vírus e seus vetores artrópodes. Eles sugerem que o estilo de vida endofítico, a RNase e a atividade antialimentação de Bacillus spp. deve ser a linha de base para o desenvolvimento de bioinoculantes para proteger as safras da infecção viral. Da mesma forma, no caso de nematóides fitoparasitários, Banakar et al. focou na família de genes neuromotores FMR Famide-like peptide (FLPs) e demonstrou o gerenciamento potencial de Meloidogyne incógnita causando doenças de nó de raiz em plantas.

O sequenciamento completo e a análise do genoma de bactérias promotoras de crescimento de plantas estão revelando extensos mecanismos para estimular o crescimento de plantas e proteger contra patógenos, conforme comprovado pelo trabalho de Singh, Singh , Li et al . Os autores determinaram o genoma de Enterobacter roggenkampii ED5, uma bactéria endofítica fixadora de nitrogênio com biocontrole e propriedades de tolerância ao estresse. Outro trabalho de Li et al. também revelou novas características genômicas da cepa simbiótica Bradyrhizobium diazoefficiens 113-2. Além disso, seu genoma foi comparado com outros genomas relacionados, fornecendo novos insights moleculares sobre a especificidade da espécie e a especificidade do hospedeiro. Outra obra de Singh, Singh ,Li et al. decifrou o genoma completo da bactéria endofítica Pseudomonas aeruginosa cepa “B18”, cujas interações benéficas com plantas incluem mecanismos diretos e indiretos de promoção de plantas.

Ao lado de artigos de pesquisa, novas perspectivas e resenhas enriquecem este número especial. Por exemplo, Oyserman et al. propõem que as interações genótipo, ambiente e microbioma (GEM) moldam os fenótipos do hospedeiro. Eles delineiam a versatilidade do modelo GEM e, assim, fornecem uma maneira de manter em vista o importante papel do microbioma na determinação da aptidão das plantas. Da mesma forma, Imran et al. revisou o papel dos diazotróficos e sua importante atividade na fixação de nitrogênio, e como esses organismos de vida livre podem ajudar a reduzir a entrada de nitrogênio nos sistemas agrícolas. Da mesma forma, Kaul et al.destacou o conceito de engenharia de microbiomas vegetais para o aprimoramento das funções vegetais, como combate a estresses fisiológicos, como promotores de crescimento, aquisição de nutrientes essenciais, preparação das defesas da planta hospedeira, aumento da amplitude de nicho, agentes de biocontrole e em processos biogeoquímicos. Outras revisões de Ray et al. e Babalola et al. fornecer uma visão geral de como o desempenho da planta é influenciado pela diversidade e função do microbioma; várias abordagens de microbioma holística para aumentar a produtividade da cultura e restaurar a saúde do solo são discutidas. Naamala e Smithfornecer uma revisão elaborada da identificação, caracterização e aplicação de compostos de origem microbiana. Eles sugerem maneiras de avançar com inoculantes para melhorar as práticas agrícolas.

Não há dúvida de que nas próximas décadas os desafios gêmeos de alimentar uma crescente população humana e ao mesmo tempo conservar a diversidade biológica crescerão. Para ter sucesso em enfrentar esses desafios, o microbioma da planta precisará ser melhor compreendido e gerenciado. Os artigos desta edição especial nos mostram onde estamos com o interactoma planta-micróbio. Novas abordagens e perspectivas inovadoras apontam para as excitantes possibilidades de novos insights e aplicações. Podem ainda ser necessários testes de campo agrícolas bem executados. Mas, já existe conhecimento suficiente para inspirar os pesquisadores a aumentar os esforços para decodificar o papel do microbioma no desempenho e na saúde das plantas.