Pesquisa
Caracterização molecular de bactérias associadas a nódulos de Acácia negra: potencial para bioinsumos na agricultura
Mestrado em Biotecnologia Aplicada à Agricultura
Autor: Oender Ferreira Perna
Orientador: Glacy Jaqueline da Silva
Defendido em: 28/02/2023
Resumo
O Brasil é um dos países mais importantes do ponto de vista agrícola, possui dimensões continentais, recordista mundial na produtividade de commodities do setor agropecuário que confere ao país título de celeiro mundial. Além disso, é referência na utilização de biofertilizantes para a produção agrícola onde têm destaque para os microrganismos. O solo é um ambiente que abriga milhões de bactérias que por meio de relação simbiótica (harmônica e produtiva entre dois organismos) fornecem uma infinidade de benefícios para as plantas. Por meio de mecanismos metabólicos secundários de desenvolvimento das bactérias conseguem transformar, sintetizar, solubilizar ou fixar diversos nutrientes como N, P, K, CO2, S, entre outros. Algumas espécies vegetais possuem capacidade natural de se associarem às bactérias. No entanto, essa associação pode ser facilitada com o emprego de inoculação de bactérias como produto biológico. Um dos processos iniciais para descobrir essas bactérias e determinar o potencial como produto biotecnológico ou de aplicação biotecnológica é a caracterização desses microrganismos, que preferencialmente podem ser extraídos de locais considerados estratégicos, segundo as condições do solo ou mesmo pelas espécies cultivadas no local de coleta. A Acácia negra (Acacia mearnsii) é uma importante leguminosa amplamente cultivada na região Sul do Brasil. Das espécies florestais, é a terceira mais cultivada, com grande importância econômica e social. O objetivo deste estudo foi caracterizar um conjunto de bactérias isoladas de nódulos ativos de Acácia negra, por meio de técnicas de biologia molecular. O DNA de 211 isolados bacterianos foi extraído e amplificado a partir dos marcadores BOX A1R, ERIC e GTG5. Além disso, um pool com todos os microrganismos foi submetido à análise metagenômica do tipo Shotgun para verificar a composição genética do conjunto de microrganismos. O marcador BOX A1R gerou um total de 10 fragmentos amplificados, o ERIC 7 fragmentos amplificados e o GTG5 um total de 13 fragmentos amplificados. Os dados gerados a partir das árvores filogenéticas mostraram que o marcador capaz de diferenciar a maior quantidade de microrganismos foi o BOX A1R, e o marcador com menor conteúdo informativo foi o ERIC. Na análise da metagenômica foi observado que em relação a classificação de microrganismos, foi possível identificar 68 gêneros, com maior destaque para Serratia que foi predominante ultrapassando 50% de representatividade, seguido por Pseudomonas com 7.87%, Stenotrophomonas com 7.43% e Yersinia 7.11%. Com base nos dados do Subsystems nível 1, foi possível identificar 26 funções celulares, com destaque em Carboidratos com 17%, seguido por Aminoácidos e derivados com 11%, na sequência Transporte de membrana com 9% e Metabolismo das proteínas com 7%. As funções moleculares mais conhecidas do conjunto de microrganismos estão relacionadas a transporte de ferro III entre membranas. Os dados deste trabalho irão possibilitar um maior aprofundamento nos estudos posteriores de função biológica e posterior identificação molecular dos genótipos mais promissores.
Palavras-chave
Biofertilizantes. Caracterização molecular. Diversidade Microbiana. Plantas leguminosas. Simbiose
Title
Molecular characterization of bacteria associated with black wattle nodules: potential for bioinputs in agriculture
Abstract
Brazil is recognized as one of the most important countries in the agricultural sector due to its continental dimensions and world leadership in agricultural and livestock commodity productivity, which earns it the title of "world's breadbasket". Additionally, Brazil is considered a reference in the use of biofertilizers for agricultural production, where microorganisms play an important role. Soil is a rich environment for microorganisms, including millions of bacteria, which provide a multitude of benefits to plants through a harmonious and productive symbiotic relationship between the two organisms. These bacteria are capable of transforming, synthesizing, solubilizing, or fixing various nutrients, such as nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K), carbon dioxide (CO2), sulfur (S), among others, through secondary metabolic mechanisms of bacterial development. Although some plant species have the natural ability to associate with bacteria, this association can be facilitated by inoculating bacteria as a biological product. One of the initial processes to discover these bacteria and determine their potential as a biotechnological product or biotechnological application is the characterization of these microorganisms, which can preferably be extracted from locations considered strategic, according to soil conditions or the species cultivated in the collection site. Acacia mearnsii, known as Black Acacia, is an important leguminous plant widely cultivated in the southern region of Brazil and is the third most cultivated forest species, with great economic and social importance. The objective of this study was to characterize a set of bacteria isolated from active nodules of Black Acacia using molecular biology techniques. DNA from 211 bacterial isolates was extracted and amplified using three genetic markers, namely, BOX A1R, ERIC, and GTG5. Additionally, a pool with all microorganisms was subjected to Shotgun metagenomic analysis to verify the genetic composition of the set of microorganisms. The BOX A1R marker generated a total of 10 amplified fragments, ERIC 7 amplified fragments, and GTG5 a total of 13 amplified fragments. The data generated from the phylogenetic trees showed that the marker capable of differentiating the largest number of microorganisms was BOX A1R, and the marker with the least informative content was ERIC. In the metagenomic analysis, it was possible to identify 68 genera of microorganisms, with Serratia being the most predominant, exceeding 50% representativeness, followed by Pseudomonas with 7.87%, Stenotrophomonas with 7.43%, and Yersinia with 7.11%. Based on Subsystems level 1 data, it was possible to identify 26 cellular functions, with carbohydrate function being the most representative at 17%, followed by amino acids and derivatives with 11%, membrane transport with 9%, and protein metabolism with 7%. The most known molecular functions of the set of microorganisms are related to the transport of iron III between membranes. The data obtained in this study will allow a further deepening in future studies on the biological function and molecular identification of the most promising genotypes.
Keywords
Biofertilizers. Leguminous plant. Microbial diversity. Molecular characterization. Symbiosis.