Aula_Microbioma_LucasM (1)

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Universidade de São Paulo USP
Centro de Energia Nuclear na Agricultura CENA
Prof. Lucas William Mendes
Disciplina CEN0167
O papel do MICROBIOMA do SOLO para 
uma AGRICULTURA SUSTENTÁVEL
06mar2024
Doenças microbianas foram responsáveis por 95% das mortes
Varíola matou 50% dos Incas
crescimento
populacional
mudanças
climáticas
seca
erosão do solo
doenças
produção
sustentável
DE
SA
FI
OS
 D
A 
ER
A 
M
OD
ER
NA
produção sustentávelDE
SA
FI
OS
 D
A 
ER
A 
M
OD
ER
NA
Soja no Brazil
19951980 1980 1990198519751965 2000 2020
ANO
R
EN
D
IM
EN
TO
 G
R
Ã
O
S 
 (t
ha
-1
)
5
4
2
1
0
Expansão da área agrícola,
fixação biológica de nitrogênio 
Conservação do Solo
Plantio Direto
Irrigação + Biotecnologia
Melhoramento 
Doenças e Pragas
3 Melhoramento
Cerrado e Trópicos
Balanço de fertilizantes, 
calagem, gesso
?MICROBIOMA
[ Rothamsted | Long-term Experiments ]
[ Rothamsted | Long-term Experiments ]
QUAL A 
IMPORTÂNCIA DO 
MICROBIOMA?
A totalidade dos micro-organismos, seus 
genomas e suas funções, num determinado 
ambiente
O microbioma
Humano
Animal
Alimentos
Aquático
Agrícola
Natural
micro
bioma
Agrícola
Natural
CO
M
PO
NE
NT
ES
 D
O 
M
IC
RO
BI
OM
A
Peso de 1 célula = 2,5 x 10-13 g
E. coli
Crescimento de 20 min
Depois de 48h…
2,2 x 1024 Kg 5,97 x 1024 Kg
O microbioma
QUANTOS GENES TEMOS?
PROJETOGENOMAHUMANO
camundongo
trigo
verme
C. elegans
arroz
pulga d’água
daphnia 
humano
23 k
26 k
20.5 k
40 k
31 k
20 k
O microbioma
CÉLULAS GENES
10 tri humano
100 tri microbiano
90%
Microbiano
20 k humano
20 mi microbiano
99%
Microbiano
HOLOBIONTE
Sonnenburg & Sonnenburg 2019 Science 266
Sonnenburg & Sonnenburg 2019 Science 266
1 g de solo
109 células microbianas
[1.000.000.000]
O solo é considerado “o meio natural capaz de suportar o crescimento das plantas” 
(EMBRAPA, 1999) 
QUÍMICAFÍS
IC
A
BIOLÓGICA
M
icr
ob
io
m
a 
e
ON
E 
HE
AL
TH
Banerjee & van der Heiden 2022 | Nat Rev Microbiol
M
icr
ob
io
m
a 
e
ON
E 
HE
AL
TH
funções do microbioma do solo e planta
Decomposição da MO
Ciclagem de nutrientes
Fluxo de gases do efeito estufa
Purificação da água
Estruturação do solo
Supressão de doenças
Fonte de nutrientes
Promoção de crescimento
Tolerância à estresses abióticos
Proteção contra doenças
Germinação de sementes
Regulação hormonal
Fonte: wikipedia
Ci
clo
 d
o 
ni
tro
gê
ni
o
Ci
clo
 d
o 
ni
tro
gê
ni
o
funções do microbioma do solo e planta
FBN ao invés de fertilização
15.2 bilhões de dólares anuais (2019/2020)
Redução de 183 milhões ton de CO2
e
(5 bilhões crédito de carbono)
O Microbioma e os ODS – Obje<vos do Desenvolvimento Sustentável (ONU)
COMO MUDANÇAS
NO AMBIENTE
AFETAM O
MICROBIOMA?
EF
EI
TO
S 
NO
 M
IC
RO
BI
OM
A
MAIOR reservatório
de espécies animais e 
vegetais
¼ de todas as 
espécies terrestres
Arco do desmatamento
MUDANÇA NO USO DO SOLO
responsável por 70% da emissão de gases do efeito estufa no Brasil
Uso do soloAgricultura
24% 44%
SEEG, 2017
Fermentação entérica
Aplicação de fertilizantes e 
manejo de resíduos animais 
e outros
Desmatamento, degradação 
do solo e mudança do suo 
do solo
Queima de resíduos 
florestais e calagem
“Alteração no estado do clima, identificado 
através de mudanças na média e/ou 
variabilidade das suas propriedades e que 
persiste por um longo período.”
- IPCC
Irradiação solar 
atravessa a 
atmosfera
A maior parte é 
absorvida pela 
superfície da terra, 
aquecendo-a
Parte da 
irradiação é 
refletida
O EFEITO ESTUFA
CO2
CH4
N2O
dióxido de carbono
Metano
30x
óxido nitroso
300x
EM
IS
SÕ
ES
 N
O 
BR
AS
IL
Relatório SEEG 2021
02
Incidência e surgimentos de 
pestes e patógenos
05
03
06
SECAS
Aumento do período de secas e 
desertificação
DEGELO
Derretimento das calotas polares
01
TEMPESTADES
Aumento na intensidade de 
eventos extremos de chuva
04
NÍVEL DO MAR
Aumento do nível dos oceanos
PESTES
CO
NS
EQ
UÊ
NC
IA
S
CORAIS
Branqueamento dos corais
FLORESTA AGRICULTURA
Floresta Amazônica SINOP-MT
EF
EI
TO
 N
O 
M
IC
RO
BI
OM
A
Estrutura e diversidade microbiana
Mendes et al., 2015 a,b
FLORESTA PASTAGEM - AGRICULTURA
Mendes et al., 2015 a,b
FLORESTA PASTAGEM - AGRICULTURA
Metabolismo 
de N
Metabolismo 
de NMetanogênico MetanogênicoMetanotrófico Metanotrófico
FLORESTA PASTAGEM - AGRICULTURA
[CH4]
[N2O]
[CH4]
[N2O]
EF
EI
TO
 N
O 
M
IC
RO
BI
OM
A
Genes de resistência a antibióticos
Lemos et al., 2021
FLORESTA PASTAGEM - AGRICULTURA
GENES DE RESISTÊNCIA A ANTIBIÓTICOS
Lemos et al., 2021
Pedrinho & Mendes et al. 2019 FEMS Microbiol Ecol
Pedrinho et al. 5
Figure 1. Redundancy analysis (RDA) of microbial community patterns and soil physicochemical properties from samples of primary forest, pasture and secondary
forest soil. (A) Taxonomic analysis using relative abundance based on the Refseq database at genera level. (B) Functional analysis using relative abundance based on
the SEED database at subsystem level 3. Arrows indicate correlation between soil physicochemical properties and microbial functional profile. The significance of these
correlations was evaluated via the Monte Carlo permutation test and is indicated by an asterisk (P < 0.05). Analysis of permutation (PERMANOVA) is indicated in the
upper right corner of each graph. WHC, water-holding capacity; Map, macropores; Mip, micropores; PoTo, total pores; Dens, soil density.
Figure 2. Diversity measurements of microbial communities in soils from primary forest, pasture and secondary forest for both the wet and dry sampling periods.
Taxonomic diversity is based on genera level (Refseq database) and functional diversity is based on subsystem level 3 (Seed database). Error bars represent the standard
deviation of four independent replicates. Different lower-case letters refer to significant differences between treatments based on Tukey’s HSD test (P < 0.05).
Figure 3. Heat maps showing the differential abundance of (A) phyla and (B) functional categories (subsystem level 1) between primary forest, pasture and secondary
forest soil for the wet and dry sampling periods. Asterisks indicate the overrepresented phyla/function compared with the other land-use systems (P < 0.05 after
Benjamini–Hochberg correction). The color key relates the heat map colors to the standard score (z-score), i.e. the deviation from row mean in units of standard
deviation above or below the mean. The circles are proportional to the relative abundance of each phylum in all samples.
D
ow
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sec/article-abstract/95/3/fiy236/5245175 by guest on 12 M
arch 2019
Recuperação de florestas secundárias
taxonomia função
Pedrinho & Mendes et al. 2019 FEMS Microbiol Ecol
Recuperação de florestas secundárias
QUAL O EFEITO DAS 
MUDANÇAS 
CLIMÁTICAS NA 
BIODIVERSIDADE?
EF
EI
TO
 E
M
 A
NI
M
AI
S
0 DIAS 28 DIAS 52 DIAS 75-80 DIAS
Deposição do ovo Período termosensível Incubação
Gônodas 
indiferentes
Expressão ou 
repressão do gene 
sox9
Definição do 
sexo
Pieau et al. 1994 
Pieau and Dorizzi 2004
Tartaruga de água doce Emys orbicularis
30ºC25ºC
Testículos
Macho
Ovários
Fêmea
TEMPERATURA
EF
EI
TO
 E
M
 P
LA
NT
AS
SECA
Fechamento de estômatos
Aumento na síntese de ácido abscísico
Mudanças na taxa de síntese de parede celular 
Alteração na taxa fotossintética
Alterações no desenvolvimento de raízes
Konzen et al., 2019
Gonçalves et al., 2017
Lata & Prasad 2011
gene DREB
Dehydration responsive element binding
Em condição de seca, há uma alteração
na expressão gênica induzida por
fatores de transcrição (FTs).
FTs se ligam a elementos cis específicos
para induzir a expressão de genes
relacionados ao estresse em questão
Elementos cis são regiões do DNA que
atuam como reguladores da expressão
gênica
EF
EI
TO
 N
O 
M
IC
RO
BI
OM
A
Aumento na umidade do solo
Venturini et al., 2022
PRECIPITAÇÃO
Original22% 60% 80% 100%
Dióxido de Carbono Metano
Um
id
ad
e
Fl
ux
o 
de
 G
EE
Ta
xo
no
m
ia
Aumento na umidade do solo
Venturini et al., 2022
PRECIPITAÇÃO
Fu
nç
ão
EF
EI
TO
 N
O 
M
IC
RO
BI
OM
A
Aumento na umidade do solo
PRECIPITAÇÃO
Alteração no fluxo de gases
Aumento na emissão de CH4
Pastagem mais responsiva
Alteração na abundância de 
metanogênicos e metanotróficos
Maior proporção de 
metanogênicos na Pastagem
Alteração na abundância de 
genes relacionados ao fluxo
Aumento de genes de 
metanogênese na Pastagem
Venturini et al., 2022
COMO UTILIZAR O 
MICROBIOMA PARA 
PROMOVER UMA 
AGRICULTURA
SUSTENTÁVEL?
Averill et al. 2022 |Nat Microbiol
CONSERVAR
Proteger a biodiveridade 
microbiana de ecossistemas 
intactos
RESTAURAR
Incorporar a biodiversidade 
microbiana na restauração de 
ecossistemas
MANEJAR
Aumentar a biodiversidade 
microbiana em paisagens 
florestais e agrícolas
DEFENDENDOOMICROBIOMA
Mandacaru (Cereus jamacaru)
Bacillus aryabhattai
RESTAURAÇÃO DE ÁREAS DEGRADADAS
Wubs et al., 2016 | Nature Plants
Nível 2 | PLANTA-SOLO
Nível 3 | RIZOSFERA
Ajuste fino (fine-tuning) no 
componente biológico por meio da 
manipulação do microbioma da 
rizosfera
Ajuste médio (medium-tuning) 
no componente biológico 
por meio de bioinsumos
Ajuste grosso (gross-tuning) no 
componente biológico por meio de 
manejo e práticas 
conservacionistas
Nível 1 | SISTEMA DE 
PRODUÇÃO Nível 1 |
Pedrinho&Mendes et al., 2024 | Plant Soil
Pedrinho&Mendes et al., 2024 | Plant Soil
+-
Fixação de nitrogênio
Solubilização de fósforo
Metanotrofia
Aumento na produtividade
Proteção contra doenças
Promoção de crescimento
Imobilização de nutrientes
Emissão de gases do efeito estufa
Doença
Perda de produtividade
Degradação do solo