Como a microbiota do solo pode contribuir para obtenção de altas produtividades

Transcrição

1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Campus Luiz de Queiros Centro de Energia Nuclear na Agricultura FERTBIO 2014 Integração e Tecnologias para Todos Araxá, 15 a 19 de Setembro de 2014 Como a microbiota do solo pode contribuir para obtenção de altas produtividades Siu Mui Tsai tsai@cena.usp.br Laboratório de Biologia Celular e Molecular CENA-USP

2 Considerações Iniciais Produção e Produtividade Conservação e Sustentabilidade Intensificação das Práticas Conservacionistas Produtividade e Sustentabilidade Agrícola Melhoramento e produção vegetal sob novo enfoque Manejo agrícola: biodiversidade e qualidade do solo Considerações Finais 2

3 Introdução Diversidade Produção Planta Formação Insumos Estrutura (Solo) Ciclos Biogeoquímicos Decomposição Exportação Biota do Solo Estrutura Comunidades Arquéias Bactérias Fungos Papel Funcional 3 MICRO-ORGANISMOS TÊM PAPEL ESTRUTURAL E FUNCIONAL NA QUALIDADE DO SOLO

4 Produtividade CURVA DA PRODUÇÃO DE UMA CULTURA Fertilidade do Solo (Insumos) 4

5 Produtividade BENEFÍCIOS DA REVOLUÇÃO VERDE Século 21 Século 20 Variedades melhoradas requerem alta fertilidade do solo Baixa fertilidade Não há ganhos em produtividade Elevada fertilidade Genótipos tradicionais acamam Fertilidade do Solo (Insumos) 5

6 O exemplo da soja no Brasil XXI 5 4 Balanço de fertilizantes, calagem, gesso Irrigação + Biotecnologia 3 Melhoramento Cerrado e Trópicos Melhoramento Doenças e Pragas 2 1 Expansão da área agrícola, fixação biológica de nitrogênio Conservação do Solo Plantio Direto

7 Intensificação de Práticas Conservacionistas e Produção em Áreas Marginais e Degradadas Produções que alcancem 85-90% do potencial genético para produção vegetal de alta qualidade Aumento da eficiência de absorção de nutrientes: P e micronutrientes Eficiência de 90-95% no uso de água Tolerância a fatores ambientais: seca, alta temperatura Melhoria da qualidade do solo e ambiente Armazenamento de nutrientes Conservação da matéria orgânica e sequestro do C do solo Nutrição balanceada das plantas 7

8 Considerações Iniciais Produção e Produtividade Conservação e Sustentabilidade Intensificação das Práticas Conservacionistas Produtividade e Sustentabilidade Agrícola Melhoramento e produção vegetal sob novo enfoque Manejo agrícola: biodiversidade e qualidade do solo Considerações Finais 8

9 CICLO DO NITROGÊNIO Nuvens Colheita Atmosfera N 2 (Atmosférico) N 2 N 2 O Relâmpagos N 2 NO - 3 Fertilizantes Inorgânicos Fixação de N NH 3 Fertilizantes Orgânicos N Volatilização Desnitrificação Absorção Resíduos da Cultura Resíduos Animais Absorção NO3 - Nitrificação NH + 4 Mineralização Imobilização Lixiviação Adsorção Liberação Argila Nitrogênio Orgânico do Solo (Resíduos, biomassa microbiana, húmus) SOLO Água subterrânea 9

10 CICLO BIOLÓGICO DO N Atmosfera N 2 (Atmosférico) Fixação Simbiótica Fixação Associativa FBN EM LEGUMINOSAS 15 N-FERTILIZANTE, 15 N e 15 N2 SOJA FEIJÃO AMENDOIM ERVILHA FEIJÃO FAVA SESBANIA LEUCAENA FBN EM CANA-DE-AÇÚCAR 15N MARCADO EM CILINDROS DE SOLO PVA (Urquiaga & Döbereiner 1991) CB CB 45-3 NA IAC SP SP SP Chunnee Caiana Krakatau B. radicans % Kg/ha 41,9 44,1 42,9 46,2 52,3 46,1 41,7 37,2 42,2 55,6 0, Água subterrânea 10

11 Produtividade e Sustentabilidade: Melhoramento e Produção Fixação Biológica de N 2 Soja nodulante e não nodulante Contribuição de 80 a 120 kg N ha -1 Bradyrhizobium elkanii suplementa nitrogênio ao solo Glycine max L. (Merrill) 11

12 RAÍZES E BACTÉRIAS NA RIZOSFERA BACTÉRIAS ENDOFÍTICAS Fixação Biológica de N 2 em Plantas de Pastagem 12

13 FUNGOS MICORRÍZICOS EM ALFAFA CONSÓRCIO MILHO-FEIJÃO Solo Esterilizado (R-Gama) 13

14 Produtividade e Sustentabilidade: Melhoramento e Produção Alfafa > 200 kg N ha -1 ano ASSOCIAÇÕES BENÉFICAS: BACTÉRIAS Nodulação em Alfafa é Muito Eficiente 14

15 A FIXAÇÃO BIOLÓGICA DE N 2 CUSTOS DA FBN Compensação > Taxa Fotossíntese e Retardamento da Senescência Foliar (Kaschuk et al. 2010) ureídeos fotossintatos RESPOSTAS Fertilidade do solo (Tsai et al., 1993) P, K, S (Divito e Sadras, 2014)

16 Respostas à inoculação com estirpes selecionadas em dois cultivares de feijoeiro - Brasil Estirpes (5) Controles (2) Graham et al. (2003) 16

17 Melhoramento da FBN Nodulação Diferentes categorias de mutantes que apresentam aumento de nódulos Tolerante N (Autoregulação) Insensível Etileno Insensível à Luz Oka-Kira & Kawaguchi (2006) 17

18 Influência do suprimento de P em parâmetros de nodulação e FBN em P. vulgaris Fixação Biológica de N 2 (correlações): Alantoína, Fosfoenol piruvato carboxylase (PEPC) e Leghemoglobina, Glutamina sintetase, malato desidrogenase, acetil-coa redutase. Graham et al. (2003) 18

19 1 V 3 Verticilos Seleção para Eficiência no Uso de Fósforo P. vulgaris Baixo P P Médio Parte Aérea (g) Genótipo A Baixo P Genótipo B 2 Verticilos 3 Verticilos Genótipos Baixo P Alto P P Médio 2 Verticilos 3 Verticilos Genótipos Número de Verticilos Miguel et al. (2013)

20 Seleção para Tolerância a Stress Hídrico P. vulgaris Raízes com nódulos ~300 genótipos (Konzen, Gepts, Tsai) 20

21 Produtividade e Sustentabilidade: Melhoramento e Produção Cultivar convencional Genótipo tolerante a baixo P Cinco linhagens para uso eficiente de fósforo e 10 a serem liberadas Melhoramento Genético: Tolerância a Estresses Ambientais e Eficiência no Uso de Nutrientes J. Lynch PSU (EUA) 21

22 Mapeamento Genético Assistido por Marcadores: Busca de QTLs 22

23 Marcadores Moleculares Phaseolus vulgaris L. 23

24 MAPEAMENTO ASSISTIDO POR MARCADORES Características Phaseolus vulgaris L. (Phaseolus vulgaris L.) Doenças bacterianas estimuladas pela adição de N- mineral 20,9 D7 CHI Nodulação: herança quantitativa dominante 3,6 1,8 D1390 Phs D1861 Ausência de nodulação: herança simples e recessiva 17,3 D0190 Bacteriose x nodulação: Grupo de Ligação D7 seleção negativa Nodari R.O., Tsai S.M., Guzman P., Gilbertson R.L., Gepts P Genetics 134:

25 LOCALIZAÇÃO CROMOSSÔMICA DE GENES CODIFICADORES DE NODULINAS, NODULIN-LIKE E OUTRAS PROTEÍNAS RELACIONADAS À NODULAÇÃO EM FEIJOEIRO Chr 1 Chr 2 Chr 3 Extraído do 0.2 Phvul.001G NAD DEPENDENT Phytozome e 10.1 EPIMERASE/DEHYDRATASE 13.9 Phvul.001G transferido 9.1 Phvul.002G para MapDraw Phvul.001G Phvul.002G Chr 4 Phvul.001G Chr 5 Phvul.002G Phvul.002G Phvul.003G Phvul.003G EARLY NODULIN 93 Phvul.003G Phvul.003G Chr Phvul.004G Phvul.005G Phvul.005G Phvul.005G Phvul.005G Nodulin cluster Phvul.006G Phvul.006G Phvul.006G Stress up-regulated NOD19

26 Chr 7 Chr Phvul.007G Phvul.007G Phvul.007G Phvul.007G Phvul.007G Phvul.007G GLUTAMINA SINTETASE Phvul.007G Chr 9 Phvul.009G NAD DEPENDENT EPIMERASE/DEHYDRATASE Phvul.009G Phvul.009G Phvul.009G Phvul.009G EARLY NODULIN 93 Phvul.009G Phvul.007G Phvul.007G Phvul.008G Chr 10 Chr Phvul.010G Phvul.010G Phvul.010G Phvul.010G Phvul.010G Phvul.010G Phvul.010G Phvul.010G Phvul.010G Phvul.010G Phvul.010G Phvul.010G CATION EFFLUX PROTEIN/ ZINC TRANSPORTER Stress up-regulated NOD19 - cluster Phvul.011G Phvul.011G NAD DEPENDENT EPIMERASE/DEHYDRATASE Phvul.011G Phvul.011G

27 Micro-organismos na Rizosfera Fungo Micorrízico Arbuscular Milho Rizobactéria Promotora Crescimento Bacillus subtilis Arabidopsis thaliana Rizobactérias Hibridização in situ (GFP) Arabidopsis thaliana Rizobactérias GFP Arabidopsis thaliana Philippot et al. (2013) Nature Rev. Microbiol. (2013)1-11

28 Gene promotor VfLb29 que codifica o gene da symbiosina (simbioticamente induzido) em nódulos e em raízes micorrizadas (Küster et al. 2007) (Desbrosses & Stougaard 2011) Marcação com gusa em raízes de M. truncatula transgênica 28

29 Meta-Omics Desenvolvimento de flores e frutos Resistência a doenças e estresse Qualidade nutricional Simbioses Arquitetura da planta Sequências de ESTs, BACs Citogenética Mapas Ligação/Físico Micro-arranjos, QTLs Transformação/Mutagênese Proteômica Bioquímica e análises genéticas e fisiológicas de tratos selecionados Genética Evolutiva Genômica Estrutural Bioinformática Base de Dados Genômica Funcional Estudos sócio-econômicos Melhoramento NOVAS LINHAGENS

30 Análise de Genes Funcionais em P. vulgaris (Recchia, 2011) 30

31 A FISIOLOGIA DO ESTRESSE 31

32 Taxa de Sobrevivência (%) Arabidopsis thaliana Antes do estresse Hídrico Após estresse (4 dias após) Localização nuclear da proteína PvDREB6A fusionada a gfp, em células de tabaco transformadas por agroinfiltração Columbia-0 Salk_020767C Columbia-0/ pk7 Salk_020767C/ pk7 Columbia-0 pfec2.1 #1 Salk_020767Cp FEC2.1#13.1 Salk_020767Cp FEC2.1# Taxa de sobrevivência das plantas transgênicas superexpressando o gene PvDREB6A após o déficit hídrico Salk_020767Cp 10 FEC2.1# Col-0/pFEC2.1 #1 Salk_020767C/pFEC2.1 #13.1 Pereira, Tsai e Caldas (em preparação) Salk_020767C/pFEC2.1 #19.7 Salk_020767C/pFEC2.1 #

33 Integrando respostas transcricionais, metabolômicas e fisiológicas ao déficit hídrico (Panicum virgatum L.) SECA RECUPERAÇÃO

34 Considerações Iniciais Produção e Produtividade Conservação e Sustentabilidade Intensificação das Práticas Conservacionistas Produtividade e Sustentabilidade Agrícola Melhoramento e produção vegetal sob novo enfoque Manejo agrícola: biodiversidade e qualidade do solo Considerações Finais 34

35 Biomassa Microbiana e Produção Biomassa Microbiana e Manejo do Solo Kaschuk et al. (2010) Balota et al. (1998)

36 Crescimento & Desenvolvimento Aquisição Nutriente Tolerância a Estresses Abióticos Proteção contra Patógenos Fisiologia/Metabolismo O BOM Resposta Imune MICROBIOMA DA RIZOSFERA O MALVADO O FEIO Fitopatógenos Contaminantes Alimentares Mendes et al. (2013) FEMS Microbiol Rev 37:

37 Desvendando o Microbioma da Rizosfera em Solo Agrícola S = Solo Supressivo C = Solo com Rhizoctonia solani CS = C + 10% Solo Supressivo S50 = S + 50 o C S80 = S + 80 o C Mendes et al. (2011) Science 332, 1097

38 Desvendando o Microbioma da Rizosfera em Solo Agrícola Mendes et al. (2011) Science 332, 1097

39 A Meta-ômica em Estudos da Microbiota Composição da Microbiota Processos GeoChips Funcionais 167,044 sondas distintas Cobertura de 395,894 genes de 1500 famílias gênicas

40 Considerações Iniciais Produção e Produtividade Conservação e Sustentabilidade Intensificação das Práticas Conservacionistas Produtividade e Sustentabilidade Agrícola Melhoramento e produção vegetal sob novo enfoque Manejo agrícola: biodiversidade e qualidade do solo Considerações Finais 40

41 Considerações Finais Desafios Novos parâmetros de seleção Sistema radicular, área foliar e arquitetura da planta/raiz Maximização do potencial biológico dos micro-organismos Tolerância a fatores do solo (<P, >Al, <ph, >salinidade) Tolerância a fatores de estresses ambientais (temperatura, seca) Redução dos atuais impactos ambientais Melhoria da eficiência no uso de nutrientes e nutrição balanceada na cultura Manejo integrado da cultura em uma agricultura sustentável com uso de fontes alternativas de nutrientes incluindo sistemas biológicos Aproveitamento de biomassas e resíduos vegetais para reciclagem dos nutrientes exportados e produção de energia renovável 41

42 PERSPECTIVAS O Maior Desafio: O FOCO MULTIDISCIPLINAR DA INTERAÇÃO PLANTA-MICROORGANISMOS 42

43 COLABORADORES APTA-IAC: Alisson Chiorato, Sérgio Carbonell ESALQ-USP: Maria Lúcia Carneiro, Luiz E. Camargo EMBRAPA-CNPAF: Michael Thung, Rosana Brondani UC-Davis: Paul Gepts, Maeli Melotto, Jorge Rodrigues University of Missouri: Jay Thelen CENA/USP Fabiana Cannavan, Acácio Navarrete, Lucas Mendes, Danielle Caldas, Gustavo Recchia, Enéas Konzen, Ana Zakir Pereira, Clovis Borges, Beatriz Ferreira, Lucas Palman, Marina Dellias, Caio Yoshiura, Fernanda Nakamura, Andressa Venturini, Marcela Arnaldo, Aline França, Marilia Reichert 43