Conceito de arte diatomácea

Os investigadores descobriram que as bactérias Rhizobia, conhecidas pela sua relação simbiótica com leguminosas, também podem formar parcerias semelhantes com diatomáceas marinhas. Esta descoberta, que esclarece uma parte significativa da fixação de azoto marinho, tem implicações tanto para a biologia marinha como para a tecnologia agrícola. Crédito: SciTechDaily.com

Um estudo inovador revela que as bactérias Rhizobia podem fixar nitrogénio em parceria com diatomáceas marinhas, uma descoberta que poderá ter implicações significativas para a agricultura e os ecossistemas marinhos.

O nitrogênio é um componente essencial de todos os organismos vivos. É também o elemento-chave que controla o crescimento das culturas terrestres, bem como das plantas oceânicas microscópicas que produzem metade do oxigénio do nosso planeta.

O gás nitrogênio atmosférico é de longe o maior reservatório de nitrogênio, mas as plantas não conseguem transformá-lo em uma forma utilizável. Em vez disso, plantas cultivadas como soja, ervilha e alfafa (conhecidas coletivamente como leguminosas) adquiriram bactérias rizóbias parceiras que “fixam” o nitrogênio atmosférico em amônio. Esta parceria faz das leguminosas uma das mais importantes fontes de proteínas na produção alimentar.

Cientistas do Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha em Bremen, Alemanha, relatam agora que os rizóbios também podem formar parcerias semelhantes com pequenas plantas marinhas chamadas diatomáceas – uma descoberta que resolve um mistério marinho de longa data e que tem aplicações agrícolas potencialmente de longo alcance.

Simbiontes fixadores de nitrogênio rizobial na diatomácea

Os simbiontes fixadores de nitrogênio rizobianos (marcados fluorescentemente em laranja e verde usando sondas genéticas) que residem dentro de diatomáceas coletadas no Atlântico Norte tropical. O núcleo da diatomácea é mostrado em azul brilhante. Crédito: Mertcan Esti/Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha, Bremen, Alemanha

Um enigmático fixador de nitrogênio marinho escondido dentro de uma diatomácea

Durante muitos anos, presumiu-se que a maior parte da fixação de nitrogênio nos oceanos era realizada por organismos fotossintéticos chamados cianobactérias. No entanto, em vastas regiões do oceano não existem cianobactérias suficientes para contabilizar a fixação medida de nitrogénio. Assim, gerou-se uma controvérsia, com muitos cientistas a levantar a hipótese de que microrganismos não cianobacterianos devem ser responsáveis ​​pela “ausência” de fixação de azoto.

“Durante anos, temos encontrado fragmentos de genes que codificam a enzima nitrogenase fixadora de nitrogênio, que parecia pertencer a um fixador de nitrogênio não cianobacteriano específico”, diz Marcel Kuypers, principal autor do estudo. “Mas não conseguimos descobrir com precisão quem era o organismo enigmático e, portanto, não tínhamos ideia se era importante para a fixação de nitrogênio.”

Diatomáceas com seus simbiontes marcados com fluorescência

Um grupo de diatomáceas com seus simbiontes marcados com fluorescência. Crédito: Mertcan Esti/Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha, Bremen, Alemanha

Em 2020, os cientistas viajaram de Bremen para o Atlântico Norte tropical para se juntarem a uma expedição envolvendo dois navios de investigação alemães. Eles coletaram centenas de litros de água do mar da região, onde ocorre grande parte da fixação global de nitrogênio marinho, na esperança de identificar e quantificar a importância do misterioso fixador de nitrogênio. Eles levaram os próximos três anos para finalmente decifrar seu genoma.

“Foi um longo e meticuloso trabalho de detetive”, diz Bernhard Tschitschko, primeiro autor do estudo e especialista em bioinformática, “mas, no final das contas, o genoma resolveu muitos mistérios”. A primeira foi a identidade do organismo: “Embora soubéssemos que o gene da nitrogenase se originava de uma bactéria relacionada ao Vibrio, inesperadamente, o próprio organismo estava intimamente relacionado aos rizóbios que vivem em simbiose com leguminosas”, explica Tschitschko. Juntamente com o seu genoma surpreendentemente pequeno, isto levantou a possibilidade de que o Rhizobia marinho pudesse ser um simbionte.

A primeira simbiose conhecida deste tipo

Estimulados por essas descobertas, os autores desenvolveram uma sonda genética que poderia ser usada para marcar fluorescentemente os rizóbios. Depois de o aplicarem às amostras originais de água do mar recolhidas no Atlântico Norte, as suas suspeitas de que se tratava de um simbionte foram rapidamente confirmadas. “Estávamos encontrando conjuntos de quatro rizóbios, sempre no mesmo lugar dentro das diatomáceas”, diz Kuypers, “Foi muito emocionante, pois esta é a primeira simbiose conhecida entre uma diatomácea e um fixador de nitrogênio não cianobacteriano”.

Os cientistas nomearam o simbionte recém-descoberto candidato Tectiglobus diatômicola. Tendo finalmente descoberto a identidade do fixador de azoto desaparecido, concentraram a sua atenção em descobrir como as bactérias e as diatomáceas vivem em parceria. Usando uma tecnologia chamada nanoSIMS, eles puderam mostrar que o Rhizobia troca nitrogênio fixo com a diatomácea em troca de carbono.

E coloca muito esforço nisso: “Para apoiar o crescimento da diatomácea, a bactéria fixa 100 vezes mais nitrogênio do que necessita”, explica Wiebke Mohr, um dos cientistas do artigo.

Dois navios de pesquisa alemães

Encontro e boas-vindas no mar. Os dois navios de pesquisa envolvidos no estudo (R/V Meteor e R/V Maria S. Merian) se encontraram algumas vezes durante a expedição. Crédito: Instituto Wiebke Mohr/Max Planck de Microbiologia Marinha, Bremen, Alemanha

Um papel crucial na sustentação da produtividade marinha

Em seguida, a equipa voltou-se para os oceanos para descobrir até que ponto a nova simbiose poderia estar disseminada no ambiente. Rapidamente descobriu-se que a parceria recém-descoberta é encontrada em todos os oceanos do mundo, especialmente em regiões onde os fixadores de nitrogênio cianobacterianos são raros. Assim, estes pequenos organismos são provavelmente os principais intervenientes na fixação total de azoto oceânico e, portanto, desempenham um papel crucial na sustentação da produtividade marinha e na absorção oceânica global de dióxido de carbono.

Um candidato chave para engenharia agrícola?

Além da sua importância para a fixação de azoto nos oceanos, a descoberta da simbiose sugere outras oportunidades interessantes no futuro. Kuypers está particularmente entusiasmado com o que a descoberta significa do ponto de vista evolutivo.

“As adaptações evolutivas Ca. T. diaatomicola são muito semelhantes à cianobactéria endossimbiótica UCYN-A, que funciona como uma organela fixadora de nitrogênio em estágio inicial. Portanto, é realmente tentador especular que Ca. T. diatomácea e seu hospedeiro diatomácea também podem estar nos estágios iniciais de se tornarem um único organismo.”

Tschitschko concorda que a identidade e a natureza organela do simbionte são particularmente intrigantes: “Até agora, foi demonstrado que tais organelas só se originam das cianobactérias, mas as implicações de encontrá-las entre os Rhizobiales são muito emocionantes, considerando que essas bactérias são extremamente importante para a agricultura. O pequeno tamanho e a natureza organela dos Rhizobiales marinhos significa que algum dia poderá ser um candidato chave para a engenharia de plantas fixadoras de nitrogênio.”

Os cientistas continuarão agora a estudar a simbiose recém-descoberta e a ver se também existem outras simbioses semelhantes nos oceanos.

Referência: “A simbiose rizóbio-diatomácea corrige a falta de nitrogênio no oceano A simbiose rizóbio-diatomácea corrige a falta de nitrogênio no oceano” 9 de maio de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07495-w



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