Leguminosas alimentam bactérias fixadoras de nitrogênio

Os cientistas descobrem a genética dentro das leguminosas que controla a produção de uma molécula transportadora de oxigênio, crucial para as relações íntimas da planta com as bactérias fixadoras de nitrogênio. A descoberta oferece o potencial de dar a outras plantas a capacidade de produzir amônia a partir de bactérias - reduzindo a necessidade da prática dependente de combustível fóssil e poluente de aplicar fertilizantes sintéticos nas plantações.

As raízes das leguminosas são o lar de bactérias simbióticas. Essas bactérias podem fixar o nitrogênio do ar, transformando-o em amônia, um nutriente essencial para as plantas. Em troca, as plantas hospedam as bactérias nos nódulos das raízes , fornecendo açúcares e oxigênio. A quantidade de oxigênio precisa ser a certa para sustentar a simbiose, as bactérias precisam de oxigênio para alimentar suas reações químicas, mas muito inibe uma enzima chave que transforma o nitrogênio do ar em amônia que pode ser usada pela planta.

A solução da planta para este 'paradoxo do oxigênio da fixação biológica do nitrogênio' é uma molécula chamada leghemoglobina. Como a hemoglobina, que transporta oxigênio em nosso sangue, a leghemoglobina se liga ao oxigênio e é vermelha; dá aos nódulos de leguminosas sua cor rosa. Até agora não está claro como as plantas controlam a quantidade dessa molécula produzida.

A equipe de pesquisa identificou dois fatores de transcrição que controlam a quantidade de leghemoglobina produzida nos nódulos de leguminosas. "Isso dá uma visão chave sobre como as leguminosas criam o ambiente microaeróbico necessário para a fixação de nitrogênio. Este conhecimento pode ser útil para melhorar a fixação de nitrogênio em leguminosas e seria essencial para a transferência de nodulação para culturas não leguminosas", explica o autor correspondente. Dr. Jeremy Murray, Líder do Grupo CEPAMS.

Dr. Jeremy Murray continua: "Embora muitos genes envolvidos em outros processos de nodulação tenham sido identificados, este é o primeiro avanço na rede reguladora de genes envolvidos diretamente no controle da fixação de nitrogênio."

A pesquisa foi realizada por uma equipe colaborativa, liderada pelo Dr. Suyu Jiang no grupo do Dr. Jeremy Murray no Centro de Excelência para Plantas e Ciências Microbianas CAS-JIC (CEPAMS), Centro de Excelência em Ciências Moleculares de Plantas (CEMPS), Academia Chinesa de Ciências, Xangai, China, com a colaboração do Dr. Pascal Gamas e da Dra. Marie-Françoise Jardinaud no LIPME (Université de Toulouse, França).

Usando a leguminosa modelo, Medicago truncatula, a equipe de pesquisa analisou uma família de proteínas em plantas que possui vários membros com funções na nodulação. Eles examinaram quais proteínas dessa classe são produzidas em nódulos que abrigam a simbiose e descobriram que havia duas - NIN e NLP2, e que, quando estas são inativas, a fixação de nitrogênio é reduzida. Isso sugere que eles estão envolvidos na fixação de nitrogênio.

Para investigar mais a fundo, eles cultivaram plantas em um sistema aeropônico, sem solo, para poder olhar os nódulos, e descobriram que as plantas sem NIN e NLP2 eram menores em tamanho e tinham nódulos menores e menos rosados. Em uma inspeção mais próxima, eles tinham níveis mais baixos de leghemoglobina. Outros experimentos descobriram que NIN e NLP2 ativam diretamente a expressão de genes de leghemoglobina.

"Este projeto de pesquisa foi puramente movido pela curiosidade, tudo o que sabíamos no início era que o fator de transcrição que estávamos estudando era altamente e especificamente expresso em células fixadoras de nitrogênio, inicialmente não estávamos cientes de qualquer conexão com leghemoglobinas", reflete o Dr. Murray.

A pesquisa também forneceu insights sobre a evolução dessa importante simbiose. Eles descobriram que outros membros da família dos fatores de transcrição regulam a produção de hemoglobinas não simbióticas encontradas nas plantas , que estão envolvidas na resposta da planta a baixos níveis de oxigênio.

Jeremy explica ainda: "Isso foi empolgante porque sugere que esses fatores de transcrição e seus alvos de hemoglobina foram recrutados para a nodulação como módulos para ajudar a melhorar a energética nas células fixadoras de nitrogênio, dando um raro vislumbre de como essa simbiose evoluiu."

O estudo "Fatores de transcrição de proteínas semelhantes a NIN regulam genes de leghemoglobina em nódulos de leguminosas" aparece na revista Science .