Óxido nitroso pode moldar os microrganismos das raízes

O óxido nitroso (N₂O) é habitualmente abordado como um problema climático - um potente gás com efeito de estufa cujas concentrações podem aumentar nos solos após a aplicação de fertilizantes. Porém, uma nova investigação do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) indica que também poderá desempenhar uma função biológica inesperada.

Em experiências laboratoriais, o N₂O não ficou simplesmente em segundo plano. Em vez disso, alterou os microrganismos capazes de sobreviver junto das raízes das plantas, prejudicando seletivamente algumas bactérias e beneficiando outras.

Os microrganismos das raízes sentem o óxido nitroso

Como estes microrganismos ajudam as plantas a obter nutrientes e a proteger-se de doenças, até alterações pequenas na comunidade podem afetar a saúde vegetal.

Os investigadores afirmam que, caso os mesmos padrões se verifiquem em solos agrícolas reais, o óxido nitroso poderá revelar-se uma força negligenciada na formação dos ecossistemas da zona radicular de que as culturas dependem.

«Este trabalho sugere que vale a pena prestar atenção à produção de N₂O em contextos agrícolas devido à saúde das plantas», afirmou Darcy McRose, autora sénior do estudo no MIT. «Não tem estado no radar das pessoas, mas é particularmente prejudicial para determinados microrganismos.»

«Com mais investigação, talvez seja possível compreender de que forma o momento em que o N₂O é produzido influencia estas relações microbianas. Esse momento poderá ser gerido para melhorar a saúde das culturas.»

A toxicidade negligenciada do óxido nitroso

Há décadas que se sabe que o óxido nitroso é tóxico em determinados contextos. Um exemplo clássico é a sua capacidade de desativar a vitamina B12 no organismo humano.

No entanto, nos solos e na agricultura, tem sido sobretudo considerado uma questão climática e de ozono, e não uma substância que afeta diretamente comunidades vivas.

«De um modo geral, existe a ideia de que o N₂O não é de todo prejudicial, apesar deste histórico de estudos publicados que mostram que pode ser tóxico em contextos específicos», disse McRose. «As pessoas não alargaram essa compreensão às comunidades microbianas da rizosfera.»

A rizosfera é a zona dinâmica em redor das raízes, onde bactérias e outros microrganismos competem e cooperam, ajudando as plantas a aceder a nutrientes e a defender-se de agentes patogénicos. Se o óxido nitroso influenciar quais conseguem sobreviver nesse local, poderá alterar todo o equilíbrio do microbioma radicular.

O óxido nitroso afeta a via da B12

Para perceberem melhor como o óxido nitroso poderia afetar os microrganismos, a equipa concentrou-se na biossíntese de metionina, um processo essencial de que as células necessitam para crescer.

Alguns microrganismos produzem metionina através de enzimas dependentes de vitamina B12. Outros podem recorrer a uma via alternativa que não requer B12. Muitas bactérias possuem ambas as opções, dispondo assim de uma espécie de plano metabólico de reserva.

Os investigadores recorreram a uma bactéria bem estudada, Pseudomonas aeruginosa, e removeram geneticamente a enzima da metionina que não depende de B12.

Depois de eliminarem essa alternativa, a bactéria tornou-se sensível ao óxido nitroso. Mesmo o óxido nitroso que produzia prejudicou o seu crescimento, o que sugere que o efeito não se limita à exposição externa.

As comunidades microbianas mistas podem enfrentar dificuldades quando alguns organismos geram N₂O.

O padrão surge nos microrganismos radiculares

A equipa alargou depois a análise para além de um único microrganismo. Estudou uma comunidade microbiana sintética associada a Arabidopsis thaliana, uma planta-modelo frequentemente usada em estudos laboratoriais. Nessa comunidade, muitos microrganismos associados às raízes também se revelaram sensíveis ao óxido nitroso.

Quando os investigadores juntaram microrganismos sensíveis ao óxido nitroso a bactérias produtoras de óxido nitroso, o crescimento foi prejudicado.

«Isto sugere que as bactérias produtoras de N2O podem afetar a sobrevivência dos seus vizinhos imediatos», afirmou Phillip Wasson, coautor do estudo e estudante de doutoramento no MIT.

Em conjunto, as experiências sustentaram uma ideia clara: a produção de óxido nitroso pode suprimir bactérias que dependem de enzimas dependentes de vitamina B12 para produzir metionina, alterando potencialmente quais os microrganismos que predominam junto à raiz da planta.

«Estes resultados sugerem que os produtores de óxido nitroso moldam as comunidades microbianas», disse McRose.

«No laboratório, o resultado é muito claro, e o trabalho vai além da análise de um único organismo. As experiências de co-cultura não são o mesmo que um estudo no campo, mas constituem uma demonstração sólida.»

Quão comum poderá ser esta sensibilidade?

Os investigadores não se limitaram às culturas laboratoriais. Também analisaram até que ponto estas vias vulneráveis estão disseminadas entre bactérias com genomas sequenciados.

Com base nessa análise, estimam que cerca de 30 percent das bactérias com genomas sequenciados possam ser suscetíveis à toxicidade do óxido nitroso.

Trata-se de um número enorme. Se se confirmar, sugere que o óxido nitroso poderá estar a moldar os ecossistemas microbianos de forma muito mais ampla do que se supunha. Poderá fazê-lo não só ao alterar a química do solo, mas também ao selecionar ativamente quais os microrganismos capazes de tolerar o ambiente.

O que isto poderá significar nas explorações agrícolas

Nos solos agrícolas reais, os picos de óxido nitroso não são incomuns. Podem persistir durante dias ou semanas após os agricultores aplicarem fertilizante azotado, depois de chuva intensa, durante períodos de degelo e noutras condições frequentes no campo.

Estes aumentos significam que as culturas podem encontrar óxido nitroso em fases críticas do desenvolvimento radicular, quando começam a formar-se as parcerias microbianas em redor das raízes jovens.

Os investigadores sublinham que as provas atuais provêm de experiências laboratoriais. Os solos reais são muito mais complexos, com numerosos fatores biológicos e químicos em interação.

Ainda assim, a equipa considera que os resultados são suficientemente sólidos para justificar testar a hipótese diretamente em solos agrícolas.

Wasson descreveu o estudo como uma prova de conceito e afirmou que o passo seguinte consiste em examinar comunidades microbianas do solo em ambientes agrícolas.

«Em ambientes agrícolas, o N₂O tem sido historicamente elevado», afirmou Wasson. «Queremos verificar se conseguimos detetar uma assinatura desta exposição ao N₂O através de estudos de sequenciação do genoma, nos quais os únicos microrganismos que permanecem não são sensíveis ao N₂O. Este é o passo seguinte óbvio.»

Uma previsão testável nos microrganismos do solo

A investigação também aponta para um mecanismo genético que poderá determinar quais os microrganismos que sobrevivem à exposição ao óxido nitroso.

McRose observou que os microrganismos possuem versões diferentes de uma enzima fundamental. Algumas parecem ser sensíveis ao N₂O, enquanto outras permitem que os microrganismos tolerem o gás mais facilmente.

Devido a esta diferença, a exposição repetida ao óxido nitroso deverá favorecer os microrganismos com a versão mais resistente da enzima, remodelando gradualmente as comunidades do solo.

«O importante neste caso é que prevê que os microrganismos com uma versão de uma enzima vão ser sensíveis ao N₂O e aqueles com uma versão diferente da enzima não vão ser sensíveis», disse McRose.

Se a hipótese se confirmar, o óxido nitroso será mais do que um poluente climático. Poderá também atuar como uma alavanca ecológica oculta na rizosfera - influenciando o crescimento das culturas, a resiliência do solo e a vida microbiana de que as plantas dependem.