Qual língua você fala? O mundo fascinante da comunicação subterrânea
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Cristiana Ariotti 1, Elena Giuliano 1, Paolina Garbeva 2 and Gianpiero Vigani 1,2*
1 Plant Physiology Unit, Department of Life Sciences and Systems Biology, University of Turin, Turin, Italy2 Department of Microbial Ecology, Netherlands Institute of Ecology (NIOO-KNAW), Wageningen, Netherlands
Se você fosse um microrganismo no solo, como você se comunicaria com os seus vizinhos? Bom, falar inglês, francês ou italiano não ajudaria muito no mundo subterrâneo. Ao invés disso, você teria que usar moléculas como palavras! Microrganismos do solo, como fungos e bactérias, se comunicam entre si e com outros organismos, como animais e plantas, por meio da produção de tipos diferentes de moléculas. Muitos organismos usam essas moléculas como palavras químicas. Algumas dessas moléculas são voláteis, o que significa que elas se comportam como gases, assim como o ar. Elas podem se deslocar facilmente pelos minúsculos espaços de ar no solo e podem viajar para longe, permitindo uma comunicação a longa distância. Outras moléculas são solúveis, o que lhes permite se dissolver em água, facilitando a comunicação entre organismos próximos. Os organismos que recebem esses sinais podem responder de diferentes maneiras, seja crescendo mais rapidamente ou produzindo outras moléculas. Neste artigo, vamos explorar o fascinante e misterioso mundo da comunicação química subterrânea e seu papel nas interações entre microrganismos e plantas.
VIDA DO SOLO
O solo é um dos ecossistemas mais fascinantes e complexos da Terra. Ele não é apenas a camada superficial do planeta onde as plantas crescem, mas também um mundo espetacular e oculto, repleto de vida. O solo é constituído por fragmentos irregulares de rochas, pequenos poros de ar e matéria orgânica (proveniente da decomposição de plantas e animais mortos). Este ambiente é um habitat ideal para microrganismos, insetos e plantas. Você sabia que o solo abriga uma enorme diversidade de seres vivos? Dependendo de suas características, como tipo de rocha, disponibilidade de nutrientes e a quantidade de água, diferentes organismos podem habitá-lo. Esses organismos formam uma comunidade específica, ou seja, um conjunto único de seres vivos que coexistem e interagem no mesmo ambiente.
Você sabe o que são microrganismos do solo? Eles são organismos minúsculos que vivem aderidos a partículas do solo ou a outros seres vivos. Alguns fungos possuem estruturas semelhantes a raízes extremamente finas, permitindo-lhes entrar em contato e trocar informações com seus vizinhos. Há também bactérias, organismos unicelulares que geralmente só podem ser observados com o auxílio de um microscópio. Quando esses microrganismos vivem na rizosfera – a porção do solo ao redor das raízes das plantas – eles são chamados de microrganismos da rizosfera. Além disso, certos microrganismos podem habitar tanto a superfície quanto o interior das raízes [1]. Na rizosfera você pode encontrar microrganismos benéficos (ou “bons”), que ajudam as plantas a sobreviver e crescer, ou microrganismos prejudiciais (ou “maus”), que atacam as plantas e causam doenças.
COMO OS MICRORGANISMOS DO SOLO E AS PLANTAS SE COMUNICAM?
É particularmente fascinante a habilidade dos microrganismos do solo de se comunicarem entre si e com outros organismos, incluindo plantas e animais. A comunicação entre microrganismos e plantas tem sido estudada por muitos cientistas e baseia-se no uso de moléculas como palavras, um processo conhecido como comunicação química. Você pode imaginar uma molécula como um grupo de pequenas esferas (chamadas átomos) conectadas entre si. Esses átomos são blocos fundamentais da química, como carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio (O), e nitrogênio (N), que se combinam, como peças de um quebra-cabeça, para formar moléculas como água (H2O) ou dióxido de carbono (CO2). Combinações especificas de átomos dão origem a moléculas com propriedades distintas.
Os microrganismos do solo podem produzir diversos tipos de moléculas, que podem ser classificadas em duas categorias principais: moléculas solúveis e moléculas voláteis. As moléculas solúveis dissolvem-se na água, assim como o açúcar em um café, e podem ser transportadas pelo solo. Elas são utilizadas para “conversar” com as plantas que crescem próximas aos microrganismos. As moléculas voláteis, também chamadas de compostos orgânicos voláteis (VOCs), são utilizadas para comunicação a longa distancia (Figura 1). Esses VOCs são gases, que viajam facilmente pelos poros de ar no solo. As raízes das plantas conseguem “sentir” esses compostos, do mesma forma que o nariz humano pode perceber o aroma de uma flor or de pães de queijo recém-saídos do forno [1]. A comunicação química não ocorre apenas em uma direção (dos microrganismos para as plantas), e sim em duas direções – as plantas também produzem moléculas que podem ser “compreendidas” pelos microrganismos.
QUAIS SÃO OS EFEITOS DA COMUNICAÇÃO MOLECULAR?
Aqui estão alguns exemplos do que acontece entre microrganismos e plantas quando eles começam a “conversar”.
Plantas e microrganismos se ajudam a obter nutrientes
Diversos microrganismos podem auxiliar no crescimento das plantas, tornando os nutrientes essenciais mais disponíveis para elas. Por exemplo, uma bactéria chamada Rhizobium é capaz de transformar o nitrogênio do ar (N2) em uma molécula diferente: amônia (NH3). Esse processo é conhecido como fixação de nitrogênio e ocorre no solo. A fixação de nitrogênio é fundamental para as plantas, pois elas necessitam desse elemento para crescer, mas só conseguem absorvê-lo quando ele está presente no solo em formas utilizáveis. Ao converter N2 em NH3, o Rhizobium ajuda as plantas a crescerem mais fortes!
Ainda mais interessante é o fato de que o Rhizobium consegue se comunicar com grupos específicos de plantas, como feijoeiros e a ervilheiras. Mas como esse diálogo funciona? Primeiro, as plantas liberam moléculas chamadas isoflavonas na rizosfera, que atraem o Rhizobium. As bactérias “ouvem” o sinal químico da planta e se deslocam em sua direção. No caminho, o Rhizobium começa a produzir outras moléculas, chamadas fatores nod, que sinalizam para a planta formar uma estrutura especial nas raízes chamada nódulo, onde a bactéria pode se instalar. Em troca de abrigo e alimento (açúcares fornecidos pela planta), o Rhizobium disponibiliza NH3 para a planta (Figura 2). Como resultado, as plantas que estabelecem essa parceria crescem significativamente mais. Essa relação simbiótica é vantajosa tanto para as plantas quanto para o Rhizobium, pois ambos têm acesso a mais nutrientes do que teriam se vivessem separadamente, o que favorece seu crescimento e desenvolvimento [2].
Microrganismos podem proteger as plantas contra patógenos e pragas
Fatores bióticos são os componentes vivos do meio ambiente, como as plantas, animais e microrganismos (Figura 3). Um estresse biótico ocorre quando um organismo, como uma planta, é afetado por um fator biológico, como microrganismos prejudiciais (chamados de patógenos) ou insetos nocivos (chamados de pragas). Microrganismos benéficos podem ajudar as plantas a combater patógenos e pragas de duas maneiras principais. Primeiro, esses microrganismos podem afastar ou eliminar o patógeno ou a praga. Por exemplo, certos microrganismos benéficos produzem VOCs que podem inibir o crescimento de patógenos ou impedir o ataque de pragas às plantas. A segunda forma de proteção ocorre quando os microrganismos sinalizam para a planta se preparar para a defesa, aumentando suas barreiras naturais. Isso é semelhante ao que acontece quando sua mãe recomenda que você consuma laranjas no inverno, pois elas contêm uma molécula importante, a vitamina C, que fortalece o sistema imunológico e o protege contra doenças. O mecanismo é o mesmo para microrganismos e plantas! Por exemplo, as moléculas produzidas pela bactéria Pseudomonas fluorescens conferem maior resistência às plantas contra o ataque de patógenos [3].
Os microrganismos podem ajudar as plantas a sobreviverem em lugares difíceis
Fatores abióticos são os componentes não vivos do meio ambiente, como a luz do sol, temperatura e a água (Figura 3). O estresse abiótico ocorre quando esses fatores impactam negativamente um organismo vivo. Exemplos de fatores abióticos que enfraquecem as plantas incluem a baixa disponibilidade de água e altos níveis de sal. Microrganismos benéficos podem ajudar as plantas a sobreviver em ambientes adversos, com condições desfavoráveis. Por exemplo, a bactéria *Pseudomonas chlororaphis *O6 facilita a sobrevivência de algumas plantas em condições de seca, quando há pouca disponibilidade de água [4]. Outros microrganismos, como a bactéria Bacillus subtilis, auxiliam as plantas a tolerar solos com alta concentração de sal, reduzindo a quantidade de sal que entra pelas raízes [5].
POR QUE É IMPORTANTE ENTENDER A COMUNICAÇÃO QUÍMICA?
A comunicação química entre microrganismos e outros organismos começou a evoluir há milhões de anos. Há cerca de 450 milhões de anos, as plantas migraram do ambiente marinho para a terra. Cientistas acreditam que fungos do solo desempenharam um papel crucial nesse processo, ajudando as plantas a se estabelecerem no ambiente terrestre. Esses fungos permitiram que as plantas absorvessem nutrientes essenciais para sua sobrevivência [6]. Por milhões de anos, a comunicação química entre organismos do solo tem sido fundamental para o crescimento e a saúde das plantas. Neste artigo, explicamos como as interações entre plantas e microrganismos podem fornecer nutrientes, auxiliar na defesa contra patógenos e permitir que as plantas sobrevivam em ambientes adversos. No entanto, essas interações estão ameaçadas! O uso intensivo de antibióticos, pesticidas e fertilizantes na agricultura pode alterar a composição do solo, impactando diretamente a comunidade microbiana. Essas mudanças podem fazer com que alguns organismos do solo desapareçam enquanto outros proliferam. Como consequência, a microbiota do solo pode ser desequilibrada, favorecendo o crescimento de microrganismos patogênicos que prejudicam as plantas!
A população humana ainda está crescendo e, como as pessoas precisam de alimentos para sobreviver, é fundamental encontrar novos métodos para estimular o crescimento das plantas e aumentar a produção de alimentos [2]. Microrganismos estão sendo cada vez mais utilizados como auxiliadores naturais para melhorar o crescimento vegetal e a produtividade agrícola. O estudo da comunicação entre microrganismos e plantas é essencial para entender quais microrganismos podem ser aproveitados para favorecer o desenvolvimento das plantas. Precisamos ter muito cuidado ao escolher os microrganismos corretos! Por exemplo, você poderia pensar que o uso do fungo Fusarium culmorum seria uma boa ideia, já que ele auxilia certas plantas a crescerem em ambientes hostis com alta concentração de sal. No entanto, Fusarium culmorum é prejudicial para o milho – ele é um patógeno! Por esses motivos, cientistas se dedicam a compreender a comunicação química entre microrganismos e plantas da forma mais detalhada possível. Esse conhecimento aprofundado não apenas ampliará nossa compreensão dos ecossistemas do solo e das interações entre organismos, mas também permitirá a aplicação estratégica dessas interações para promover o crescimento das culturas agrícolas, ao mesmo tempo em que protegemos esses ecossistemas.
GLOSSÁRIO
Ecossistema
O conjunto de diferentes organismos (plantas, animais e microrganismos) que interagem com a matéria não viva em uma determinada área.
**Rizosfera **A porção do solo ao redor das raízes onde plantas e microrganismos se comunicam entre si por meio de moléculas.
Comunicação química
A comunicação que ocorre entre dois ou mais organismos diferentes (plantas, animais e microrganismos) por meio do uso de moléculas.
Solúvel
Uma substância que se dissolve na água, como o sal e o açúcar.
Volátil
Uma substância que tende facilmente a se tornar gás e se espalhar pelo ar, como o aroma de uma flor.
Vocs
Compostos orgânicos voláteis produzidos por diferentes organismos, como plantas e microrganismos, para se comunicarem à distância.
Fatores bióticos
Os componentes vivos de um ambiente, como plantas, animais e microrganismos.
Fatores abióticos
Os componentes não vivos de um ambiente, como rochas, luz solar e água.
REFERENCES
[1] van Dam, N. M., Weinhold, A., and Garbeva, P. 2016. Calling in the dark: the role of volatiles for communication in the rhizosphere. ISME J. 12:1252–62. doi: 10.1007/978-3-319-33498-1_8
[2] Tomer, S., Suyal, D. C., and Goel, R. 2016. “Biofertilizers: a timely approach for sustainable agriculture,” in Plant-Microbe Interaction: An Approach to Sustainable Agriculture, eds D. Choudhary, A. Varma, and N. Tuteja (Singapore: Springer). p. 375–95. doi: 10.1007/978-981-10-2854-0_17
[3] Van Wees, S. C. M., Van der Ent, S., and Pieterse, C. M. J. 2008. Plant immune responses triggered by beneficial microbes. Curr. Opin. Plant Biol. 11:443–8. doi: 10.1016/j.pbi.2008.05.005
[4] Garbeva, P., and Weisskopf, L. 2020. Airborne medicine: bacterial volatiles and their influence on plant health. New Phytol. 226:32–43. doi: 10.1111/nph.16282
[5] Ortíz-Castro, R., Contreras-Cornejo, H. A., Macías-Rodríguez, L., and López-Bucio, J. 2009. The role of microbial signals in plant growth and development. Plant Signal. Behav. 4:701–12. doi: 10.4161/psb.4.8.9047
[6] Field, K. J., Pressel, S., Duckett, J. G., Rimington, W. R., and Bidartondo, M. I. 2015. Symbiotic options for the conquest of land. Trends Ecol. Evol. 30:477–86. doi: 10.1016/j.tree.2015.05.007
EDITED BY: Rémy Beugnon, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany
CITATION: Ariotti C, Giuliano E, Garbeva P and Vigani G (2020) The Fascinating World of Belowground Communication. Front. Young Minds 8:547590. doi: 10.3389/frym.2020.547590
**CONFLICT OF INTEREST: **The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.
COPYRIGHT © 2020 Ariotti, Giuliano, Garbeva and Vigani. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
YOUNG REVIEWER
SHASHI PREETHAM, AGE: 13
Hello, my name is Shashi, I am 13 years old and I go to Penglais School. I enjoyplaying football and basketball. My favorite subjects are Maths and computers. Iam currently studying year 8. I am a four times Guinness World Records holder in a game called Rocket League and my name is in 2018 Guinness World Record Gamers Edition.
AUTORES
CRISTIANA ARIOTTI
Recentemente, me formei em Biologia Ambiental pela Universidade de Turim. Atualmente, sou estudante de doutorado na mesma universidade, onde estudo a comunicação entre plantas e microrganismos do solo em condições de deficiência de ferro. No meu tempo livre, adoro escalar montanhas (moro perto dos Alpes!) e cantar em corais.
ELENA GIULIANO
Recentemente, me formei em Biologia Ambiental pela Universidade de Turim e pretendo me candidatar a um doutorado em Ciências das Plantas. Me interesso por interações entre plantas e microrganismos, bem como pela proteção das plantas contra estresses bióticos e abióticos. Gosto de compartilhar conhecimento e ideias com pessoas de diferentes culturas e, no meu tempo livre, adoro ler e tirar fotos.
PAOLINA GARBEVA
Sou líder de grupo no Departamento de Ecologia Microbiana do NIOO, em Wageningen, Países Baixos. O foco da minha pesquisa atual é compreender os mecanismos fundamentais das interações químicas e da comunicação entre microrganismos.
GIANPIERO VIGANI
Sou pesquisador na Universidade de Turim (Itália). Minha pesquisa se concentra em entender como as plantas absorvem nutrientes e água do solo e como ocorrem as interações entre plantas e microrganismos no subsolo. *gianpiero.vigani@unito.it
TRANSLATOR
LILIA C. CARVALHAIS
Centre for Horticultural Sciences, Queensland Alliance for Agriculture and Food Innovation, University of Queensland, St Lucia, 4072, Australia
FINANCIAMENTO (TRADUÇÃO)
A equipe do projeto Translating Soil Biodiversity agradece o apoio do Centro Alemão de Pesquisa em Biodiversidade Integrativa (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG FZT 118, 202548816).
CITAÇÃO (TRADUÇÃO)
Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Licença Creative Commons Atribuição (CC-BY 4.0). O uso, distribuição ou reprodução em outros fóruns é permitido, desde que os autores originais e os detentores dos direitos autorais sejam creditados e que a publicação original neste periódico seja citada, de acordo com as práticas acadêmicas aceitas. Não é permitido qualquer uso, distribuição ou reprodução que não esteja em conformidade com estes termos.
Formato de Citação Recomendado: Ariotti C, Giuliano E, Garbeva P and Vigani G (2025) The Fascinating World of Belowground Communication. (Portuguese translation: Lilia C. Carvalhais). Translating Soil Biodiversity & Front. Young Minds. Originally published in 2020, doi: 10.3389/frym.2020.547590
Figures
Figura 1: Interações entre plantas e microrganismos na rizosfera. A imagem mostra três tipos de interações: (A) interações entre plantas e microrganismos que vivem na superfície das raízes ou próximos a elas, mediadas por moléculas solúveis; (B) interações entre plantas e microrganismos que vivem distantes das raízes, facilitadas por moléculas voláteis;
(C) interações com microrganismos que vivem dentro das raízes, em contato direto com as células radiculares. Essas interações ocorrem no solo, que é composto por fragmentos de rochas, poros de ar e matéria orgânica.
Figura 2: Os efeitos das interações entre planta-Rhizobium na estrutura da raiz. (A) Estrutura normal da raiz e início da comunicação química. Primeiro, a planta produz isoflavonas (1), e o Rhizobium responde produzindo fatores nod (2). (B) O Rhizobium se desloca em direção à raiz e adere a um pelo radicular, que então muda de forma para “abraçar” a bactéria, permitindo sua entrada na raiz. (C) Formação do nódulo radicular, que é o espaço onde as bactérias se multiplicam e ocorre a troca de açúcares e nitrogênio.