Mudança climática pode alterar relações simbióticas entre microrganismos e árvores

24 de maio de 2019

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Elton Alisson  |  Agência FAPESP – No solo das florestas, algumas espécies de fungos e de bactérias se associam a raízes de árvores para crescerem juntas, de modo a obterem benefícios mútuos. Os microrganismos auxiliam as plantas a absorver água e nutrientes do solo, a sequestrar carbono e a resistir aos efeitos das mudanças climáticas. Em troca, recebem carboidratos essenciais para seu desenvolvimento, produzidos pelas plantas durante a fotossíntese.

Uma colaboração de mais de 200 cientistas de diversos países, incluindo 13 de diferentes regiões do Brasil, mapeou a distribuição global dessas associações entre organismos de espécies diferentes (simbioses), fundamentais para o funcionamento dos ecossistemas florestais. Com base nesse mapeamento foi possível identificar fatores que determinam onde diferentes tipos de simbioses podem surgir e estimar os impactos das mudanças climáticas nessas relações simbióticas e, consequentemente, no crescimento das árvores nas florestas.

Mapeamento feito por consórcio internacional revela como estão distribuídas no globo essas associações entre espécies fundamentais para os ecossistemas florestais. Estudo foi destaque na capa da Nature

Se as emissões de dióxido de carbono (CO2) continuarem inalteradas até 2070, pode ocorrer uma redução de 10% nas espécies de árvores que se associam a um tipo de fungo encontrado principalmente em regiões mais frias do planeta, estimaram os pesquisadores.

O trabalho, destacado na capa da revista Nature, contou com a participação de Carlos Joly e de Simone Aparecida Vieira, ambos professores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e membros da coordenação do Programa de Pesquisas em Caracterização, Conservação, Restauração e Uso Sustentável da Biodiversidade (BIOTA-FAPESP).

“Já se sabia que a associação entre microrganismos e raízes é fundamental para alguns grupos de árvores conseguirem se estabelecer em regiões em que o solo é muito pobre e os nutrientes são liberados lentamente pela decomposição de matéria orgânica. O mapeamento permite entender como essas relações estão distribuídas no planeta e os fatores que as definem”, disse Vieira à Agência FAPESP.

Os pesquisadores se concentraram em mapear três dos tipos mais comuns de simbioses: fungos micorrízicos arbusculares, fungos ectomicorrízicos e bactérias fixadoras de nitrogênios. Cada uma dessas interações engloba milhares de espécies de fungos ou bactérias, que formam parcerias únicas com diferentes espécies de árvores.

Há 30 anos, o botânico inglês David Read, professor da University of Sheffield, da Inglaterra, e pioneiro nas pesquisas sobre simbioses, desenhou mapas de lugares no mundo onde achava que poderiam ser encontrados diferentes fungos simbióticos, com base nos nutrientes que exploram para permitir o crescimento das plantas.

Os fungos ectomicorrízicos, por exemplo, obtêm nitrogênio para as árvores diretamente de matéria orgânica, como folhas em decomposição. Por isso, Read propôs que esses microrganismos seriam mais bem-sucedidos em florestas com climas sazonais, mais frios e secos, onde a decomposição em razão da temperatura e umidade é mais lenta e a serrapilheira – camada de restos de plantas – é abundante.

Os fungos micorrízicos arbusculares, por sua vez, seriam dominantes nas florestas tropicais, nas quais o crescimento das árvores é limitado pelo fósforo do solo e nos quais os climas sazonais quentes e úmidos aumentam a decomposição.

Mais recentemente, um estudo feito por outro grupo de pesquisadores estimou que as bactérias fixadoras de nitrogênio seriam mais abundantes em biomas áridos, com solos alcalinos e altas temperaturas máximas.

Essas hipóteses puderam ser testadas, agora, com a coleta de dados de um grande número de árvores, em diversas partes do planeta, reunidos pela Global Forest Biodiversity Initiative (GFBI) – um consórcio internacional de cientistas florestais.

O consórcio é integrado, além de Joly e Vieira, por Pedro Henrique Santin Brancalion e Ricardo Gomes César, ambos da Universidade de São Paulo (USP), Gabriel Dalla Colletta, da Unicamp, Daniel Piotto, da Universidade Federal do Sul da Bahia (UFSB), André Luis de Gasper, da Universidade Regional de Blumenau (FURB), Jorcely Barroso e Marcos Silveira, da Universidade Federal do Acre (UFAC), Iêda Amaral e Maria Teresa Piedade, do Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (Inpa), Beatriz Schwantes Marimon, da Universidade do Estado de Mato Grosso (Unemat), e Alexandre Fadigas de Souza, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN).

Nos últimos anos, os pesquisadores ligados ao GFBI fizeram inventários de mais de 1,1 milhão de parcelas permanentes de florestas, que abrangem 28 mil espécies de árvores, de mais de 70 países, situadas em todos os continentes, à exceção da Antártida.

Os inventários reúnem informações, como a composição do solo, a topografia, a temperatura e a evolução do carbono fixado nessas parcelas permanentes de florestas ao longo de grandes períodos de tempo.

“As parcelas inventariadas por pesquisadores ligados ao BIOTA-FAPESP estão situadas na Mata Atlântica e incluem regiões do litoral norte do Estado de São Paulo, como Caraguatatuba, Picinguaba, Cunha e Santa Virgínia, e Carlos Botelho e Ilha do Cardoso, no litoral sul”, disse Joly. “Também inventariamos um conjunto expressivo de parcelas na Amazônia por meio de projetos em colaboração com outros grupos."

A partir desse conjunto de inventários, os pesquisadores conseguiram estimar a localização de 31 milhões de árvores espalhadas pelo mundo, assim como os fungos ou as bactérias simbióticos associadas a elas. Por meio de um programa de computador (algoritmo), foi possível determinar como diferentes variáveis relacionadas ao clima, química do solo, vegetação e topografia influenciam a prevalência de cada simbiose.

Os resultados das análises sugeriram que variáveis climáticas associadas à decomposição da matéria orgânica, como a temperatura e a umidade, são os principais fatores que influenciam as simbioses de fungos micorrízicos arbusculares e ectomicorrízicos. Já as simbioses de bactérias fixadoras de nitrogênio são provavelmente limitadas pela temperatura e acidez do solo.

“Qualquer mudança que possa ocorrer no clima no hemisfério norte pode deslocar os fungos ectomicorrízicos para outras regiões e ocorrer a perda ou uma diminuição muito grande da densidade dessas relações simbióticas”, disse Vieira.

“Isso pode afetar a ciclagem de nutrientes e, principalmente, a fixação de carbono, que depende dessa associação simbiótica para que a vegetação das florestas possa absorver nutrientes pouco disponíveis ou que não estão na forma de que necessitam”, afirmou.

Efeito das mudanças climáticas

A fim de estimar a vulnerabilidade dos padrões globais de simbiose às mudanças climáticas, os pesquisadores usaram o mapeamento para prever como poderiam mudar até 2070, se as emissões de dióxido de carbono continuarem inalteradas.

As projeções indicaram uma redução de 10% dos fungos ectomicorrízicos e, consequentemente, da abundância de árvores associadas a esses fungos – que correspondem a 60% das árvores.

Os pesquisadores alertam que essa perda poderia levar a mais CO2 na atmosfera, porque esses fungos tendem a aumentar a quantidade de carbono armazenado no solo.

“O CO2 limita a fotossíntese e, em princípio, seu aumento na atmosfera pode ter efeito fertilizante. As espécies de plantas que crescem mais rápido talvez consigam aproveitar melhor esse aumento da disponibilidade de CO2 na atmosfera do que aquelas que crescem mais lentamente. Dessa forma, poderíamos ter uma seleção de espécies. Mas ainda não há resposta para essa pergunta”, disse Joly.

Outra pergunta que os pesquisadores têm buscado responder é qual seria o impacto da interação do aumento da disponibilidade de CO2 na atmosfera com a elevação da temperatura do planeta no desenvolvimento das plantas. Com o aumento da temperatura as plantas terão que gastar mais recursos com a respiração, que aumentará mais do que a taxa de fotossíntese. O saldo desse balanço no crescimento da vegetação ainda não está claro, afirmam os pesquisadores.

“Essas questões, que dizem respeito às florestas tropicais, ainda estão em aberto. O monitoramento contínuo de parcelas permanentes de florestas vai nos ajudar a respondê-las”, disse Joly.

O artigo Climatic controls of decomposition drive the global biogeography of forest-tree symbioses (DOI: 10.1038/s41586-019-1128-0), de B. S. Steidinger, T. W. Crowther, J. Liang, M. E. Van Nuland, G. D. A. Werner, P. B. Reich, G. Nabuurs, S. de-Miguel, M. Zhou, N. Picard, B. Herault, X. Zhao, C. Zhang, D. Routh, GFBI consortium e K. G. Peay, pode ser lido na revista Nature em www.nature.com/articles/s41586-019-1128-0.

Pesquisadores caracterizam substâncias produzidas por cianobactérias aquáticas

16 de janeiro de 2017

Toxinas podem contaminar peixes e frutos do mar, mas pesquisadores também avaliam potenciais aplicações farmacológicas de substâncias não tóxicas (foto: floração no Reservatório de Salto Grande, Americana (SP)/divulgação)

 

Diego Freire  |  Agência FAPESP – Boa parte das cianobactérias, conhecidas como algas azuis, vive em águas marinhas, de lagos e de rios, em contato direto com peixes e frutos do mar que podem ser afetados de diferentes formas pelas substâncias produzidas por esses microrganismos, muitas delas ainda desconhecidas. Pesquisadores da Faculdade de Ciências Farmacêuticas (FCF) da Universidade de São Paulo (USP), em parceria com a Universidade Técnica da Dinamarca, descobriram e caracterizaram uma série dessas substâncias, produzidas por cianobactérias coletadas em um reservatório em Pernambuco e em folhas de árvores do Parque Estadual da Serra do Mar, no litoral paulista.

As descobertas foram feitas durante a pesquisa "Metabólitos secundários produzidos por microrganismos aquáticos e impacto na qualidade de frutos do mar e de peixes de água doce", realizada com o apoio da FAPESP em cooperação com o Innovation Fund Denmark. O objetivo, de acordo com os pesquisadores, é ampliar o conhecimento sobre a eventual toxicidade dessas substâncias e sobre os riscos de contaminação para consumidores de frutos do mar e peixes. No estudo também são analisadas outras classes de produtos naturais bioativos não tóxicos com potencial para diversas aplicações – entre elas, em medicamentos.

“As cianobactérias são os organismos mais antigos da Terra, bem adaptadas a qualquer ambiente com um mínimo de água. O acúmulo de fósforo, nitrogênio e matéria orgânica em ambientes aquáticos favorece o seu desenvolvimento. Esse crescimento acelerado, fenômeno conhecido como floração, que é facilmente percebido por tornar a água verde, favorece a liberação de substâncias, cujos efeitos em outros organismos não são plenamente conhecidos. Algumas espécies de cianobactérias produzem toxinas que já foram caracterizadas e outros compostos ativos que ainda não foram descobertos”, conta Ernani Pinto, professor da FCF-USP, responsável pela pesquisa.

Dessa forma, o trabalho contempla não só toxinas, mas outras substâncias produzidas pelos microrganismos que podem ter impacto na água, nos frutos do mar e nos peixes.

Entre as substâncias identificadas e caracterizadas pelos pesquisadores quatro são produzidas por uma espécie de cianobactéria coletada do Reservatório de Tapacurá, no município pernambucano de São Lourenço da Mata. O grupo já havia comprovado que a espécie estudada produz a molécula da anatoxina-a(s), toxina com efeito inibidor da colinesterase, inativando a atividade da enzima acetilcolinesterase (AChE), uma das mais importantes e necessárias ao pleno funcionamento do sistema nervoso de humanos, de outros vertebrados e de insetos.

Trata-se do único composto organofosforado natural conhecido. Testes de laboratório mostraram que o efeito da anatoxina-a(s) é igual ao dos inseticidas sintéticos. Sua ingestão pelo animal aquático ou pelo ser humano pode provocar salivação intensa, parada respiratória e parada cardíaca.

Agora, os pesquisadores trabalham para identificar os possíveis efeitos das novas substâncias em diferentes modelos, avaliando sua toxicidade e seus mecanismos de ação. De acordo com Pinto, o que se sabe por ora é que as substâncias são peptídeos inibidores de proteases – enzimas capazes de degradar proteínas.
“Além da produção da anatoxina-a(s), encontramos na mesma cepa quatro substâncias que são inibidoras de protease. Essa sucessão de descobertas em torno da cianobactéria indica que se trata de um organismo de extrema importância, evidenciando sua capacidade de produzir substâncias ativas dos mais variados tipos. A literatura mundial costuma se ater mais aos aspectos toxicológicos, mas essas outras substâncias descobertas podem virar medicamentos, por exemplo.”

Em outra frente da pesquisa, em parceria com o Centro de Energia Nuclear na Agricultura (Cena) da USP, o grupo encontrou 38 peptídeos produzidos por cianobactérias que vivem na água retida pelas folhas de plantas da Floresta Tropical de Picinguaba, na Serra do Mar – 37 deles inéditos na literatura científica. As substâncias não parecem ser toxinas, mas pertencem a famílias distintas de peptídeos que ocorrem em cianobactérias e que são inibidores de proteases.

“Ainda não foram realizados ensaios toxicológicos para determinar se essas substâncias são tóxicas ou não, mas elas podem cumprir uma função importante na natureza, como na alelopatia – processo que envolve metabólitos secundários produzidos por plantas, algas, bactérias e fungos que influenciam na comunicação intra e entre espécies, no crescimento e desenvolvimento de sistemas biológicos. É a capacidade que as plantas têm de produzir substâncias químicas que, liberadas no ambiente de outras, influenciam de forma favorável ou desfavorável o seu desenvolvimento”, explica Pinto.

Ainda de acordo com o pesquisador, essas substâncias podem ser produzidas para proteger as cianobactérias de animais que consomem plantas. Elas também atuam na homeostase, processo de autorregulação por meio do qual sistemas biológicos tendem a manter sua estabilidade para se ajustar a condições ótimas de sobrevivência.

“O Captopril, fármaco usado no tratamento de hipertensão arterial e em casos de insuficiência cardíaca, foi descoberto e desenvolvido a partir de uma toxina natural inibidora da enzima conversora da angiotensina I. Podemos estar no caminho do desenvolvimento de novos fármacos a partir da descoberta de novas substâncias com mecanismos semelhantes”, diz.

Os resultados foram relatados no artigo Structural Characterization of New Peptide Variants Produced by Cyanobacteria from the Brazilian Atlantic Coastal Forest Using Liquid Chromatography Coupled to Quadrupole Time-of-Flight Tandem Mass Spectrometry, publicado pela revista Marine Drug. Já a descoberta das substâncias produzidas pela cianobactéria coletada no Reservatório de Tapacurá foi relatada na revista Toxicon, no artigo First report of spumigin production by the toxic Sphaerospermopsis torques-reginae cyanobacterium.

Consórcio pretende mapear diversidade brasileira de microrganismos

08/05/2014

Por Elton Alisson
Agência FAPESP – Além de abrigar grande parte da diversidade biológica de macrorganismos do mundo, sendo um dos 17 países que compartilham cerca de 70% das espécies de plantas e animais catalogados no planeta, estima-se que o Brasil também possua uma grande diversidade microbiana, na maior parte ainda desconhecida.

A exemplo do que ocorre com a fauna e a flora, o Brasil também deve possuir megadiversidade de fungos, bactérias e outros microrganismos, estimam pesquisadores como Alexandre Rosado, da UFRJ (foto: Cláudio Arouca/capa: Itamar Soares de Mello, CNPMA/Embrapa) 

A fim de caracterizá-la, um grupo de pesquisadores de diversas instituições de pesquisa do Brasil e do exterior lançou o Projeto Microbioma Brasileiro (BMP, na sigla em inglês).
A iniciativa foi descrita em um artigo publicado na revista Microbial Ecology e foi apresentada no Simpósio Internacional BIOTA Micro-organismos, realizado na FAPESP entre os dias 28 e 30 de abril.
Promovido pelo programa BIOTA-FAPESP, o evento reuniu pesquisadores para debater avanços recentes na pesquisa sobre diversidade microbiana, ecologia e bioprospecção.

“Uma das razões do desconhecimento da diversidade microbiana de diversos países, incluindo do Brasil, é o fato de os microrganismos serem ‘invisíveis’”, disse Alexandre Soares Rosado, diretor do Instituto de Microbiologia Paulo de Goes da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e um dos pesquisadores participantes do projeto, à Agência FAPESP.
Segundo Rosado, os microrganismos não são vistos a olho nu nem são identificados e catalogados mais facilmente, como no caso das plantas e animais. Além disso, ainda não se sabe muito bem como cultivá-los em laboratório.

Há bactérias na Antártica, por exemplo, que só crescem a partir de 5 ºC negativos. Há também microrganismos chamados termofílicos, que só crescem a partir de 65 ºC e bactérias que só se desenvolvem se tiver outras bactérias crescendo próximas a elas e não se sabe quais são as interações entre elas, apontou Rosado.
“Ainda não sabemos exatamente quais as condições de temperatura, pH e nutrientes de que diversos microrganismos necessitam para crescer em um meio de cultura”, disse.
“Só conseguimos cultivar uma fração muito pequena de microrganismos, como algumas espécies de bactérias, que vemos em uma placa de Petri, em laboratório. Mas isso representa, provavelmente, menos de 1% da diversidade de microrganismos estimada no planeta”, ressalvou Rosado.
Por meio de observações em microscópio já era possível perceber que há uma diversidade de tipos e subtipos de microrganismos muito maior do que a cultivada hoje em laboratório.

Com o desenvolvimento, nos últimos anos, de técnicas de sequenciamento de genoma de última geração, utilizadas em novas abordagens como a metagenômica e a metatranscriptômica, ficaram ainda mais evidentes a diversidade e a abundância de microrganismos existentes no planeta, apontou Rosado.
“Com o surgimento dessas novas técnicas começamos a perceber que realmente sabemos muito pouco sobre a diversidade microbiana existente no planeta”, disse o pesquisador.
“Por meio delas é possível obter sequências a partir de amostras de diferentes ambientes, como da Antártica, do Cerrado e de regiões de manguezal, por exemplo, e fazer análises comparativas de genes funcionais importantes de comunidades microbianas inteiras”, detalhou.

Padronização de metodologias

Segundo Rosado, os avanços recentes em sequenciamento de genoma oferecem a oportunidade para se estudar o microbioma brasileiro utilizando metodologias moleculares de ponta concomitantemente a análises mais convencionais.
Para isso, no entanto, será preciso padronizar as metodologias de estudo utilizadas por diferentes grupos de pesquisa em diversas regiões do país, apontou.
“Há diversos grupos no Brasil estudando a diversidade microbiana em manguezais, só que cada um usando uma metodologia diferente. Isso impossibilita correlacionar os dados, fazer inferências ou tirar conclusões das análises”, afirmou.

A exemplo de outros projetos existentes no mundo, como o Earth Microbiome Project, o BMP pretende padronizar as metodologias utilizadas pelos diferentes grupos de pesquisa de microrganismos no Brasil e desenvolver novas ferramentas de bioinformática para facilitar a análise da enorme quantidade de dados que geram.
A ideia do consórcio brasileiro, segundo Rosado, é criar uma base de dados de metagenômica padronizados que os pesquisadores possam acessar, analisar e comparar com os já existentes e coletados por outros grupos no país ou consórcios internacionais, como o próprio Earth Microbiome Project.
“Com todos os grupos usando a mesma metodologia, será possível realmente inferir se a comunidade microbiana de um manguezal no Rio de Janeiro é a mesma de um manguezal no Amapá, por exemplo”, avaliou.

“A criação e a alimentação dessa base de dados serão a etapa mais complexa e fundamental para termos um inventário da biodiversidade microbiana brasileira”, afirmou.
Os pesquisadores estimam que, a exemplo dos macrorganismos, o Brasil também possui uma megadiversidade de microrganismos, uma vez que cada planta ou animal funciona individualmente como um ecossistema diferente para comunidades microbianas muita vezes específicas.
“Se o Brasil é um país megadiverso em flora e fauna, com certeza ele também deve ser megadiverso em microrganismos também”, avaliou Rosado.

O artigo Brazilian Microbiome Project: revealing the unexplored microbial diversity – challenges and prospects (doi: 10.1007/s00248-013-0302-4), de Rosado e outros, pode ser lido na revista Microbial Ecology em link.springer.com/article/10.1007/s00248-013-0302-4.