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Microbiologia do SoloMicrobiologia do Solo Prof. Fátima M. S.MoreiraProf. Fátima M. S.Moreira Departamento de Ciência do Departamento de Ciência do SoloSolo FIXAÇÃO BIOLÓGICA DE FIXAÇÃO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO NITROGÊNIO ATMOSFÉRICOATMOSFÉRICO Nitrogênio (NNitrogênio (N22)) � 4° elemento mais abundante nos seres vivos Ar atmosférico – 78% N2 Não acessível nutricionalmente Todos os eucariotos (plantas) Maioria dos procariotosTodos os eucariotos (plantas) Maioria dos procariotos Pequena dos procariotos Plantas N2 + 8H+ + 16 ATP + 8 e- 2NH3 + H2 + 16 ADP+ 16 PiNitrogenase Outros organismos Animais, vegetais e maioria dos microorganismos só utilizam nitrogênio na forma combinada (Vegetais: nitrato e AMÔNIA) � Sabendo-se que: FIXAÇÃO BIOLÓGICA DE NITROGÊNIO ATMOSFÉRICO �Processos industriais (fertilizantes nitrogenados) O N2 ATM TAMBÉM PODE SER TRANSFORMADO EM NH3 �NΞN + 3H2 ���� 2NH3 Haber Bosch >400°C, 107 Pa Ligação tripla forte derivados de petróleo � N é o nutriente mais requerido pelas plantas. Nitrogênio Nitrogênio (N(N22)) Combustão de combustíveis fósseis Fixação industrial Fixação atmosférica mais requerido pelas plantas. Desnitrificação Mineralização Nitrificação (modificado de Keeney, 1982) Fonte de fixação Milhões de toneladas de N por ano Industrial (fertilizantes) 49 Atmosférico (eletroquímica) 10 Outros processos químicos 35 Fixação biológica total 175 Fixação anual do nitrogênio atmosférico Fixação anual do nitrogênio atmosférico (modificado de Keeney, 1982(modificado de Keeney, 1982)) Fixação biológica total 175 Oceanos 36 Total sistemas terrestres 139 Leguminosas (140 kg.ha-1.ano-1) 35 Cultura do arroz (30 kg.ha-1.ano-1) 4 Pastagens (15 kg.ha-1.ano-1) 45 Outras culturas (5 kg.ha-1.ano-1) 5 Ecossistemas florestais (10 kg.ha-1.ano-1) 40 Outros sistemas (2 kg.ha-1.ano-1) 10 S i s t e m a s m a n e j a d o s S i s t e m a s m a n e j a d o s a g r í c o l a s e f l o r e s t a i s a g r í c o l a s e f l o r e s t a i s FBN x Fixação industrialFBN x Fixação industrial Industrial (Fertilizantes) FBN Processo caro, tem alta demanda energética, consome fósseis e pode ser poluente. É um recurso natural renovável e passivo de manipulação. Fertilizantes nitrogenados (FN) exigem cuidados especiais para transporte e armazenamento, pois alguns são inflamáveis e explosivos. É barato e sem impacto ambiental. alguns são inflamáveis e explosivos. FN geralmente tem baixo aproveitamento, e pode ser poluentes de solo, água e atmosfera. Consome em torno de 2,5% da energia da fotossíntese do planeta. FN representam de 5 a 20% do custo de produção das culturas. Mecanismo responsável por 65% do N2 incorporado nos seres vivos do planeta. Expansão é limitada pelo capital e impacto ambiental. Estima-se que a vida no planeta terminaria em 30 anos se a FBN parasse. FN representam apenas 2% da absorção total de N pelas plantas. Representa 8,5% da absorção total de N. Diazotróficos procariotosDiazotróficos procariotos Tipos metabólicosTipos metabólicos Diversidade (The Prokaryotes, 1991): 40 gêneros bactérias heterotróficas (e.g.Azotobacter) 24 gêneros fototróficos anoxigênicas (e.g.Rhodospirillum) 37 gêneros cianobactérias (e.g.Anabaena, Nostoc) 6 gêneros Archaea (e.g. Halobacterium, Methanococcus) Tipos metabólicosTipos metabólicos Aeróbios (ex.Bradyrhizobium), anaeróbios (ex.Clostridium), anaeróbios facultativos (ex.Klebsiella), microaerofílicos (ex.Azospirillum) Halófilos (ex.Halobacterium), metanogênicos (Methanococcus), Metilotróficos (ex.Xanthobacter), celulolíticos (ex.Bacillus), Denitrificadores(ex.Azospirillum), Bactérias do ciclo do S (ex.Desulfovibrio,Thiobacillus) Habitats dos diazotróficos Habitats dos diazotróficos VIDAVIDA LIVRELIVRE -- solo,solo, rizosfera,rizosfera, filosferafilosfera,, águaágua docedoce ouou salgada,etcsalgada,etc.. exex..AzospirillumAzospirillum,, AzotobacterAzotobacter,, DerxiaDerxia,, BeijerinckiaBeijerinckia,, BacillusBacillus,, etcetc.. ee nono tratotrato intestinalintestinal dede certoscertos animaisanimais (ex(ex.. cupins)cupins) SIMBIOSESIMBIOSE COMCOM FUNGOS,FUNGOS, DIATOMÁCEASDIATOMÁCEAS EE VÁRIASVÁRIAS ESPÉCIESESPÉCIES VEGETAISVEGETAIS--NostocNostoc && fungos,fungos, diatomáceas,diatomáceas, Briófitas,Briófitas, Gimnospermas,Gimnospermas, AngiospermasAngiospermas;; AnabaenaAnabaena && AzollaAzolla sppspp.. FrankiaFrankia && ASSOCIAÇÕESASSOCIAÇÕES VEGETAISVEGETAIS -- Endofíticos (dentro de raízes, caules, folhas, sementes) Ex.Azospirillum spp (lipoferum, brasilense, amazonense) etc. Endofíticos obrigatórios - Azoarcus spp, Herbaspirillum spp, Gluconobacter (Acetobacter) ESPÉCIESESPÉCIES VEGETAISVEGETAIS--NostocNostoc && fungos,fungos, diatomáceas,diatomáceas, Briófitas,Briófitas, Gimnospermas,Gimnospermas, AngiospermasAngiospermas;; AnabaenaAnabaena && AzollaAzolla sppspp.. FrankiaFrankia && espéciesespécies dede 88 famíliasfamílias botânicasbotânicas;; RizóbioRizóbio && leguminosasleguminosas Associações de Associações de DiazotróficosDiazotróficos com espécies com espécies vegetaisvegetais Associativos Colonizam abundantemente a rizosfera Endofiticamente � Encontrados principalmente em monocotiledôneas: gramíneas e palmeiras, mas podem ser encontrados em dicotiledôneas.. �� BPCVBPCV –– contribuemcontribuem comcom NN fixado,fixado, hormônioshormônios dede crescimentocrescimento vegetalvegetal �� VáriasVárias espéciesespécies ocorremocorrem nana mesmamesma plantaplanta.. �� NãoNão formamformam estruturasestruturas anatômicasanatômicas diferenciadasdiferenciadas nasnas plantasplantas comocomo osos nódulosnódulos dede rizóbiorizóbio emem leguminosasleguminosas.. Detecção e isolamento deDetecção e isolamento de Bactérias diazotróficas associativasBactérias diazotróficas associativas Amostras de solo e raízes de Amostras de solo e raízes de Gramíneas (ou outras spp vegetais)Gramíneas (ou outras spp vegetais) Amostras de solo/raízes inoculadas em meio seletivo De culturas com cresciDe culturas com cresci-- mento positivo, ex.mento positivo, ex. formação de películas,formação de películas, isolamento deisolamento de diazotróficosdiazotróficos 11 22 Azospirillum lipoferum – isolado de rizosfera de Paspalum plicatum (gramínea – pasto negro) em solo de terra-firme da região amazônica 1- Células em microscópio com contraste de fase. 2 – Aspecto de colônias em placas. 11 22 Derxia gumosa – isolada de raízes de Oryza perenne em solo de várzea da região Amazônica. 1- Células em microscópio com contraste de fase, notar goma em volta das células. 2 – Aspecto da colônia em placas. 11 22 Azospirilum amazonense isolado de Brachiaria brizantha, B. humidicola, Bactris gasipaes (pupunha) e outras spp vegetais na Amazônia e de cereais no sudeste brasileiro. 1-Aspecto da colônia. 2- Célula em microscópio eletrônico de transmissão BeijerinckiaBeijerinckia indicaindica –– 11.. ColôniaColônia emem placas,placas, 22.. CélulasCélulas emem microscópiomicroscópio óticoótico comcom contrastecontraste dede fasefase.. 11 22 inoculado. Espécie vegetal Bactéria % aumento1 Pennisetum americanum A. lipoferum 0 – 29 A. brasiliense -3 – 32 Panicum maximum A. lipoferum 0 – 16 Sorghum bicolor A. brasiliense A. lipoferum 0 – 370 Respostas na produção (em % de aumento ou diminuição) de diferentes Respostas na produção (em % de aumento ou diminuição)de diferentes espécies vegetais a inoculação com espécies vegetais a inoculação com Azospirillum Azospirillum spp. no campo (Extraído de spp. no campo (Extraído de várias referências citadas pelas revisões de Boddey & Dobereiner, 1982, várias referências citadas pelas revisões de Boddey & Dobereiner, 1982, Summer, 1990, Okon & LabanderaSummer, 1990, Okon & Labandera--Gonzales, 1994) em relação ao tratamento Gonzales, 1994) em relação ao tratamento não inoculado.não inoculado. Respostas % A. lipoferum 0 – 370 Zea mays A. brasiliense 0 – 37 A. lipoferum 0 – 154 Setaria itálica A. brasiliense A. lipoferum 21 – 58 Panicum miliaceum A. brasiliense 13 Triticum aestivum A. brasiliense 0 – 79 A. lipoferum 0 – 64 A. amazonense 37 Oryza sativa Azospirillum sp. 5 – 15 A. lipoferum -32 – 99 Vicia sativa A. brasiliense 23 Arachis hypogea A. lipoferum 24 – 25 Pisum sativum A. brasiliense 0 Simbiose de cianobactérias com plantas, fungos e diatomáceas. Simbionte Gênero das cianobactérias Localização N2 fixado kg.ha-1.ano-1 Diatomacea (marinhas) Rhizosolenia Hemiaulus Rhichelia 3 Fungos Calothrix Nostoc Talo Scytonema (intercelular) 1 - 10 Simbiose das cianobactérias com plantas, fungos Simbiose das cianobactérias com plantas, fungos e diatomácease diatomáceas Scytonema (intercelular) 1 - 10 Briófitas Phaeoceros Anthoceros Blasia Talo Cavicularia Nostoc (intercelular) 1 - 10 Pteridófitas Cavidade nas folhas Azolla Anabaena (Nostoc?) (intercelular) 10 - 100 Gimnospermas Macrozamia Raízes diferenciadas Cicadaceae Nostoc (inter e intracelular) 20 Angiospermas Glândulas axilares Gunnera Nostoc (intracelular) 10 - 70 Corte transversal do lóbulo superior da folha de AzollaAzolla a) Filamentos de Anabaena b) Pêlos de transferência entre cianobactéria e pteridófita. Cultivo de Cultivo de AzollaAzolla spp na Amazôniaspp na Amazônia Secagem de Azolla Para utilização como Adubo ou ração para animais Produção de grãos Tratamento 1979 1980 ....................... ton/ha (%) ....................... Sem N 2,6 (100) 3,2 (100) 30 kg N/ha – uréia 3,2 (122) 3,8 (123) 60 kg N/ha – uréia 3,7 (141) 4,2 (139) Efeito de Efeito de AzollaAzolla na produção de arrozna produção de arroz(1)(1) 60 kg N/ha – uréia 3,7 (141) 4,2 (139) Azolla antes plantio (transplantio) 3,2 (122) 4,0 (123) Azolla depois plantio incorporada 3,1 (118) 3,9 (123) Azolla depois plantio não incorporada 3,1 (118) 4,0 (123) 30 kg N + Azolla antes plantio 3,7 (143) 4,4 (140) 30 kg N + Azolla depois transplantio 3,5 (134) 4,4 (140) Azolla antes e depois transplantio 3,6 (139) 4,2 (137) (1) Conduzido pelo Int. Network of soil fert. and Fert. evaluation for rice (IRRI) (5 países), em 13 e 19 Diversidade de diazotróficos em ecossistemas.Exemplo: localização Diversidade de diazotróficos em ecossistemas.Exemplo: localização de diazotróficos em diversos nichos de arroz inundado:de diazotróficos em diversos nichos de arroz inundado: 10 11-- RizosferaRizosfera 22-- SoloSolo 33-- Epifíticas no arrozEpifíticas no arroz 44-- Epifíticas em plantas Epifíticas em plantas invasorasinvasoras 55-- Cianobactérias na Cianobactérias na 1010-- Em simbiose com Em simbiose com AzollaAzolla 88 88 1 2 5 3 6 7 8 9 4 2 8 55-- Cianobactérias na Cianobactérias na interface solo/águainterface solo/água 66-- FlutuanteFlutuante 77-- Interface águaInterface água--arar 88-- Endofíticas no arrozEndofíticas no arroz 99-- Epifíticas em ervas Epifíticas em ervas danihasdanihas 5 Simbiose entre Frankia (actinobactérias) e plantas Gênero Família No de espécies noduladas Distribuição geográfica principal a Allocasuarina Casuarinaceae 58 Aus Alnus Betulaceae 42 AmN, AmS, Eur, NAs, SAs Casuarina Casuarinaceae 18 Aus, SAs, NAf, AmN, AmS Ceanothus Rhamnaceae 31 AmN Cercocarpus Rosaceae 4 AmN Ceuthostoma Casuarinaceae 2 Aus Chamaebatia Rosaceae 1 AmN Colletia Rhamnaceae 3 Eur, NAf, AmS Comptonia Myricaceae 1 AmN Coriaria Coriariaceae 16 Aus, AmN, AmS, Eur Distribuição geográfica dos gêneros de plantas actinorrízicas, que Distribuição geográfica dos gêneros de plantas actinorrízicas, que formam simbiose com formam simbiose com FrankiaFrankia (Baker & Mullin, 1992)(Baker & Mullin, 1992) Coriaria Coriariaceae 16 Aus, AmN, AmS, Eur Cowania Rosaceae 1 AmN Datisca Datiscaceae 2 AmN, SAs Discaria Rhamnaceae 5 AmS, Eur Dryas Rosaceae 3 AmN, Eur Elaeagnus Elaeagnaceae 35 NAs, AmN, Eur, SAs Gymnostoma Casuarinaceae 18 Aus Hippophae Elaeagnaceae 2 Eur, NAs Kentrothamnus Rhamnaceae 1 AmS Myrica Myricaceae 28 SAf, AmN, AmS, Aus, SAs, NAs Purshia Rosaceae 2 AmN Retanilla Rhamnaceae 1 AmS Shepherdia Elaeagnaceae 2 AmN Talguenea Rhamnaceae 1 AmS Trevoa Rhamnaceae 2 AmS Total 279 a AmN = América do Norte, AmS = América do Sul, Eur = Europa, Aus = Austrália e Oceania, NAf = N Simbioses rizóbio Simbioses rizóbio && LeguminosasLeguminosas Swartzia laevicarpaSwartzia laevicarpa-- Rio Negro , AmazôniaRio Negro , Amazônia Nódulo de S. schomburkii, floresta de terra firme, Amazônia. LEGUMINOSAELEGUMINOSAE 33°° maior da família das fanerógamasmaior da família das fanerógamas 700 genêros 700 genêros 20.000 espécies 20.000 espécies Sub-família Caesalpinioidea Número de espécies 3.000 – maioria arbóreas tropicais Mimosoideae 3.000 – em geral arbóreas não só tropical mas também subtropicais e temperadas Papilionoideae 14.000 – maioria herbácea – 4.000 a 5.000 arbóreas , inclusive tropical Leguminosas Importância econômica - exemplos �� Grãos Grãos –– GlycineGlycine maxmax, , PhaseolusPhaseolus vulgarisvulgaris, , VignaVigna unguiculataunguiculata �� Madeira Madeira -- DalbergiaDalbergia nigranigra, , CedrelingaCedrelinga catenaeformiscatenaeformis �� forrageira forrageira -- ProsopisProsopis juliflorajuliflora, , AcaciaAcacia mangiummangium �� adubação verde adubação verde -- LeucaenaLeucaena leucocephalaleucocephala �� lenha lenha -- IngaInga sppspp, , AcaciaAcacia sppspp �� flora apícola flora apícola -- MimosaMimosa sppspp,, AcaciaAcacia sppspp�� flora apícola flora apícola -- MimosaMimosa sppspp,, AcaciaAcacia sppspp �� gomas gomas -- AcaciaAcacia senegalsenegal, , ParkiaParkia sppspp �� celulose e papel celulose e papel -- ApuleiaApuleia molarismolaris �� carvão carvão -- SwartziaSwartzia uleiulei �� alimentação humana alimentação humana --IngaInga sppspp,,PentaclethraPentaclethra macrolobamacroloba �� cercas cercas vivasvivas--MimosaMimosa caesalpiniifoliacaesalpiniifolia,,GliricidiaGliricidia sepiumsepium �� produtos medicinais produtos medicinais -- CopaiferaCopaifera multijugamultijuga �� produtos aromáticos produtos aromáticos -- ElizabethaElizabetha princepsprinceps �� produtos produtos fitoquímicosfitoquímicos -- DerrisDerris negrensisnegrensis Leguminosas nos principais ecossistemas brasileirosLeguminosas nos principais ecossistemas brasileiros EcossistemasEcossistemas -- éé aa famíliafamília comcom maiormaior diversidadediversidade dede espéciesespécies ee estáestá entreentre asas 55 comcom oo maiormaior nn°° dede indivíduosindivíduos.. Sub-família Números Números de gêneros e espécies de leguminosas em ecossistema brasileiros Números de gêneros e espécies de leguminosas em ecossistema brasileiros (Krirkbride Junior, 1984; Silva et al., 1989)(Krirkbride Junior, 1984; Silva et al., 1989) Sub-família Caesalpinioidea Números 45 Mimosoideae Papilionoideae EspéciesGêneros Amazônia Cerrado Amazônia Cerrado 13 469 212 2373 Total 141 11 47 71 288 464 1221 91 252 555 Leguminosas em florestas semidecíduas doLeguminosas em florestas semidecíduas do sul de Minas Geraissul de Minas Gerais ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ LV PB BS IT MD TDLV PB BS IT MD TD CaesalpinioideaeCaesalpinioideae 66 44 77 55 22 55 (Lavras(Lavras--LV, Poço BonitoLV, Poço Bonito--PB, Bom SucessoPB, Bom Sucesso--BS, ItutingaBS, Itutinga--IT,IT, Madre de DeusMadre de Deus--MD, TiradentesMD, Tiradentes--TD)TD) (Oliveira(Oliveira--Filho et al.,1991)Filho et al.,1991) CaesalpinioideaeCaesalpinioideae 66 44 77 55 22 55 PapilionoideaePapilionoideae 1010 1414 1616 1212 1515 1414 MimosoideaeMimosoideae 66 1010 88 88 55 1010 LeguminosaeLeguminosae 2222 2828 3131 2525 2222 2929 TotalTotal dede sppspp 184184 219219 241241 256256 192192 277277 %%Leg/totalLeg/total sppspp 1212 1313 1313 1010 1212 1111 BS MD ITBS MD IT Local1 Local2 Local1 Local2 Local1 Local2 Local1 Local2 Total spp 217 149 168 97 175Total spp 217 149 168 97 175 Flora arbustivo arbórea de matas ciliares, MG: Bom SucessoFlora arbustivo arbórea de matas ciliares, MG: Bom Sucesso-- BS, Madre de DeusBS, Madre de Deus--MD, ItutingaMD, Itutinga--IT (Carvalho et al., 1992; IT (Carvalho et al., 1992; Gavillanes et al., 1992; Vilela et al., 1993)Gavillanes et al., 1992; Vilela et al., 1993) Leguminosae 28 ni 18 ni niLeguminosae 28 ni 18 ni ni Caesalpinioideae Caesalpinioideae 6 ni 2 ni ni6 ni 2 ni ni Papilionoideae Papilionoideae 15 14 13 13 1215 14 13 13 12 Mimosoideae Mimosoideae 7 8 3 ni 87 8 3 ni 8 % Leg./total spp % Leg./total spp 13 13 -- 11 11 -- -- ______________________________________________________________________________________________________________________ ni = não informadoni = não informado .. Estado/Data do levantamento Frequência de Espécies de Estado/Data do levantamento Frequência de Espécies de Leguminosae(%)Leguminosae(%) Total Nodulíferas*Total Nodulíferas* Amazonas (1971Amazonas (1971--1987) 1987) 8,98,9--25,9** 4,225,9** 4,2--11,711,7 Pará (1987) Pará (1987) 13,113,1--20,8** nd20,8** nd Maranhão (1993Maranhão (1993--1996) 1996) 13,413,4--18,1** 4,818,1** 4,8 Frequência do número total e de espécies de Leguminosae em Frequência do número total e de espécies de Leguminosae em relação ao número total de espécies de outras famílias relação ao número total de espécies de outras famílias botânicasbotânicas Maranhão (1993Maranhão (1993--1996) 1996) 13,413,4--18,1** 4,818,1** 4,8 Rondônia (1987) Rondônia (1987) 15,815,8--16,9** 9,016,9** 9,0 Minas Gerais (1992Minas Gerais (1992--1994) 1994) 9,89,8--19,7** 7,419,7** 7,4--14,6 14,6 Espirito Santo (1992) Espirito Santo (1992) 12,9** 7,712,9** 7,7 São Paulo (1992São Paulo (1992--1996) 1996) 3,63,6--27,5** 2,827,5** 2,8--16,7 16,7 Paraná (1996) Paraná (1996) 20,0 15,720,0 15,7 Rio Grande do Sul (1992) Rio Grande do Sul (1992) 18,318,3--22,2** 13,322,2** 13,3--15,915,9 Distrito Federal (1996) Distrito Federal (1996) 20,7 13,520,7 13,5 *Considerando*Considerando espéciesespécies dede gênerosgêneros ouou tribostribos nodulíferosnodulíferos **Leguminosas**Leguminosas foifoi aa famíliafamília comcom aa maiormaior diversidadediversidade dede espéciesespécies CompíladoCompílado porpor PereiraPereira etet alal..(( 19981998)) dede 3232 levantamentoslevantamentos emem ecossistemasecossistemas florestaisflorestais Bactérias fixadoras de N2 que nodulam espécies de Leguminosae “Nodulos”“Nodulos”-- “casa” das bactérias fixadoras de nitrogênio “casa” das bactérias fixadoras de nitrogênio raízes de caupiraízes de caupi NN2 2 (impossível de ser usado por plantas e animais)(impossível de ser usado por plantas e animais) ------ NitrogenaseNitrogenase--�������� NHNH33 (usados por plantas)(usados por plantas) Simbiose com rizóbioSimbiose com rizóbio �� Bactérias fixadoras de NBactérias fixadoras de N22 formam nódulos na raiz ouformam nódulos na raiz ou excepcionalmente no caule de leguminosasexcepcionalmente no caule de leguminosas Nódulo caulinarNódulo caulinar emem Sesbania rostrataSesbania rostrata por por AzorhizobiumAzorhizobium caulinodanscaulinodans Nódulos radiculares em Enterolobium schomburkii por Bradyrhizobium japonicum �� Capacidade de nodular não é inerente a todas as espécies Capacidade de nodular não é inerente a todas as espécies Simbiose com Simbiose com rizóbiorizóbio �� Graham (1976) e Allen &Allen (1981) Graham (1976) e Allen &Allen (1981) –– 12 a 15 % das espécies da família 12 a 15 % das espécies da família examinadas.examinadas. �� Maioria das espécies tropicais sem informação sobre sua capacidade de Maioria das espécies tropicais sem informação sobre sua capacidade de nodular,ex. de formar simbiose com rizóbionodular,ex. de formar simbiose com rizóbio Caesalpinia echinataCaesalpinia echinata (pau (pau brasil) não forma simbiosebrasil) não forma simbioseDalbergia nigraDalbergia nigra (jacaranda) formam (jacaranda) formam simbiosesimbiose Gêneros de Leguminosae florestais nativas Gêneros de Leguminosae florestais nativas brasileiras recentemente brasileiras recentemente relatados como relatados como CAPAZES CAPAZES de estabelecer simbiose com rizóbio, ex. nodularde estabelecer simbiose com rizóbio, ex. nodular CampsiandraCampsiandra(C)(C) AbaremaAbarema(M) (M) AteleiaAteleia(P)(P) MelanoxylonMelanoxylon(C) (C) AffonseaAffonsea(M)(M) BergeroniaBergeronia(P) (P) MoldenhaureaMoldenhaurea(C) (C) CedrelingaCedrelinga(M) (M) BowdichiaBowdichia(P)(P) TachigaliTachigali(C)(C) GagnebinaGagnebina(M)(M) CadiaCadia(P)(P)TachigaliTachigali(C)(C) GagnebinaGagnebina(M)(M) CadiaCadia(P)(P) VouacapouaVouacapoua(C) (C) GoldmaniaGoldmania(M)(M) CentrolobiumCentrolobium(P)(P), , MarmaroxylonMarmaroxylon(M) (M) CyclolobiumCyclolobium (P)(P) MimoziganthusMimoziganthus(M) (M) DalhstedtiaDalhstedtia(P)(P), , PlathymeniaPlathymenia(M)(M) DiplotropisDiplotropis(P)(P) PseudopiptadeniaPseudopiptadenia(M) (M) EtaballiaEtaballia(P)(P) PseudosamaneaPseudosamanea(M)(M) PlatyciamusPlatyciamus(P)(P) PlathypodiumPlathypodium(P)(P) PoecilanthePoecilanthe(P)(P) RiedelliaRiedellia(P)(P) Gêneros de Leguminosae florestais nativas brasileirasGêneros deLeguminosae florestais nativas brasileiras recentemente relatados como recentemente relatados como INCAPAZESINCAPAZES dede estabelecer simbiose com rizóbio, ex. nodularestabelecer simbiose com rizóbio, ex. nodular AcrocarpusAcrocarpus(C) (C) AmburanaAmburana(M) (M) AldinaAldina(P)(P) ApuleiaApuleia(C) (C) DiniziaDinizia(M) (M) BocoaBocoa(P)(P) BatesiaBatesia(C) (C) ExostylesExostyles(M) (M) GrazielodendronGrazielodendron(P)(P) CenostigmaCenostigma(C) (C) TetrapleuraTetrapleura(M) (M) LecointeaLecointea(P)(P) ElizabethaElizabetha(C) (C) LuetzelburgiaLuetzelburgia(P)(P)ElizabethaElizabetha(C) (C) LuetzelburgiaLuetzelburgia(P)(P) HeterostemonHeterostemon(C) (C) MonopteryxMonopteryx(P)(P) GoniorrachisGoniorrachis(C)(C) Nissolia Nissolia (P)(P) MartodendronMartodendron(C)(C) PterodonPterodon(P)(P) PoeppigiaPoeppigia(C) (C) SweetiaSweetia(P)(P) SchizolobiumSchizolobium(C) (C) TaraleaTaralea(P)(P) VataireaVatairea(P)(P) VataireopsisVataireopsis(P)(P) Subfamília Número de espécies Existentes Avaliadas Nodulíferas ________________________________________________________________ Caesalpiniodeae 497 139 42 Número de espécies avaliadas e número de espécies nodulíferas nos diversos levantamentos realizados até o momento,na Amazônia, investigando a capacidade de nodulação de leguminosas Caesalpiniodeae 497 139 42 Mimosoideae 298 97 74 Papilionoideae 499 190 171 Total 1294 426(33%) 287(67%) ________________________________________________________________ Compilado por Souza et al., 1997 Etapas para o estabelecimento da simbioseEtapas para o estabelecimento da simbiose 1.Pré-infecção (reconhecimento dos simbiontes e interações entre superfícies das bactérias e da planta);entre superfícies das bactérias e da planta); 2. Infecção da planta pela bactéria e formação do nódulo; 3. Funcionamento dos nódulos (fixação do nitrogênio). PréPré--infecçãoinfecção Plantas exsudam moléculas Flavonóides, chalconas, bataínas e isoflavonóides conjugados. •Especificidade hospedeira Genes de nodulação (nod) na bactéria Síntese Lipoquitooligossacarídeos (LQO) Início da infecção InfecçãoInfecção •Epiderme, ferida ou pêlos radiculares. •Com ou sem cordões de infecção. Passos: •Multiplicação das bactérias;•Multiplicação das bactérias; •Ligação das bactérias ao pêlo radicular; •Encurvamento dos pêlos; •Infecção; •Formação e crescimento do cordão de infecção; •Liberação das bactérias nas células do córtex. http://www.biochem.duke.edu/Raetz/Fig.%208New Estabelecimento da nodulaçãoEstabelecimento da nodulação Bacteróides Nódulos: Hipertrofias especializadas originadas do córtex ou do periciclo da raiz ou excepcionalmente do caule. Fixação Biológica de Nitrogênio N2 + 8H + 16ATP + 8e- 2NH3 + H2 + 16ADP +16PiNitrogenase •Gera força redutora e ATP. •Gera substratos para crescimento e manutenção das células microbianas. •Suprem esqueletos de C, ATP e força redutora para assimilação de NH3.Fotossíntese http://plantnet.rbgsyd.nsw.gov.au/PlantNet/cycad/nitrogen/figure17.jpg Processo estritamente anaeróbio. Proteção da Nitrogenase ao O2 •(Leg)-hemoglobina Função e composição semelhantes àFunção e composição semelhantes à hemoglobina, transporta o O2 para os bacteróides. Mantém baixa a concentração de O2 no meio. Colônias em placaColônias em placa Nódulos radicularesNódulos radiculares BacteróidesBacteróides dentro dosdentro dos nódulosnódulos RizóbioRizóbio fora dosfora dos nódulosnódulos BB RizóbioRizóbio - Alfa-Proteobacteria - Gram negativa - Bastonetes - Células sem endosporos, com inclusões de grânulos de poli-beta-hidroxibutirato - Células sem endosporos, com inclusões de grânulos de poli-beta-hidroxibutirato - aeróbicos - bastonetes móveis - induz formação de nódulos em raízes ou excep- cionalmente no caule de espécies de Leguminosae e em raízes de Parasponia spp. Classificação de espécies de rizóbio de acordo com grupos de Inoculação cruzada (Jordan & Allen, 1974) Grupo Espécies de rizóbio Hospedeiros I R. leguminosarum Pisum, Vicia, Lens I R. trifolii Trifolium I R. phaseoli Phaseolus vulgaris, P. angustifoliusP. angustifolius P. multiflorus I R. meliloti Medicago, Melilotus, Trigonella II R. lupini Lupinus, Ornithopus II R. japonicum Glycine II Unclassified cowpea group ULTRAPASSADA!!!!ULTRAPASSADA!!!! Hospedeiros das espécies de rizóbio descritas até o momento. Espécies de rizóbio Hospedeiros Rhizobium leguminosarum biovars phaseoli, trifolii, viceae Phaseolus vulgaris, P. multiflorus, P. angustifolius, Trifolium spp., Pisum spp., Vicia spp., Lens spp., Macroptilium atropurpureum, Lathyrus R. tropici, Phaseolus vulgaris, Leucaena spp., L. Leucocephala R. etli Phaseolus vulgaris R. galegae Galega spp. R. giardinii biovars phaseoli, giardinii Phaseolus vulgaris, P.spp, Macroptilium atropurpureum, L. luecocephala. R. gallicum biovars phaseoli, gallicum Phaseolus vulgaris, P.spp Macroptilium atropurpureum, L. leucocephala, Onobrychis viciifolia R. hainanense Macroptilium lathyroides, Zornia diphila, Uraria R. hainanense Macroptilium lathyroides, Zornia diphila, Uraria crinita, Desmodium sinuatum, Stylosanthes guianensis, Desmodium gyroides, Acacia sinuata, Tephrosia candida, Arachis hypogea, Centrosema pubescens, Desmodium triquetrum, Desmodium heterophyllum R. mongolense Medicago ruthenica, M. Sativa, P. vulgaris, Vicia sativa, V. angulares R. huautlense Sesbania herbaceae, Leucaena leucocephala, Sesbania rostrata, Trifolium repens Mesorhizobium loti Wisteria frustescens, Caragana spp., Lótus spp., P. vulgaris, M. atropurpureum M. tianshanense Glycyrrhiza spp., Halineodendron spp., Sophora spp., Caragana spp., Glycine spp., Swainsonia spp. M. mediterraneum Cicer arietnum M. plurifarium Prosopis juliflora, Neptunia oleraceae, Acacia spp., L. leucocephala, Chamaecrista ensiformis M. huakuii Astragalus sinicus, Vicia villosa, P. vulgaris, Sesbania spp., A.alignoses, A. Adsurgens M. ciceri Cicer arietnum M. amorphae Amorpha fruticosa Sinorhizobium meliloti Melilotus spp., Medicago spp., Trigonella spp. S. fredii Glicine max, G. soja, P. vulgaris S. saheli Sesbania spp., Acacia seyal, L. leucocephala, N. oleraceae S. teranga Sesbania spp., Acacia spp., N. oleraceae, L. leucocephala S. medicae Medicago spp. S. arboris Acacia senegal, Prosopis chilensis S. kostiense Acacia senegal, Prosopis chilensis Allorrhizobium undicola Neptunia natans, Lotus arabicus, Acacia seyal, Faidherbia albida, Acacia tortilis, Medicago sativa, Acacia Senegal Bradyrhizobium japonicum Macroptilium atropurpureum, Ornithopus sativus, Glycine max, Lupinus spp. B. elkanii Glycine soja, G. max B. liaoningense G. soja, G.max, Phaseolus aureus B. spp. Lotus, Vigna spp., Vigna, Lupinus, Ornithopus, Cicer, Sesbania, Leucaena, Mimosa, Lab-lab, Acacia, Macroptilium, Glycine. AzorhizobiumAzorhizobium A.caulinodans Sesbania rostrataA.caulinodans Sesbania rostrata A.johannae S.virgataA.johannae S.virgataA. doebereinerae S. virgataA. doebereinerae S. virgata 20012001 Revolução na taxonomia de bactérias que Revolução na taxonomia de bactérias que nodulamnodulam leguminosas:leguminosas: -- outras outras αααααααα--ProteobacteriaProteobacteria: : MethylobacteriumMethylobacterium-- outras outras αααααααα--ProteobacteriaProteobacteria: : MethylobacteriumMethylobacterium -- ββββββββ--ProteobacteriaProteobacteria também também nodulamnodulam leguminosas: leguminosas: Burkholderia, Burkholderia, CupriavidusCupriavidus com espécies de patógenos vegetais e com espécies de patógenos vegetais e humanoshumanos Classificação de espécies de leguminosas em função de seu potencial de fixar nitrogênio) Espécies de potencial elevado ( > 60 kg N/ano/ha) Glycine max Leucaena leucocephala Calliandra spp. Acacia mearnsii, A. mangium A. auriculiformis, A. crassicarpa Gliricidia sepium, Sesbania sppGliricidia sepium, Sesbania spp Espécies de potencial médio Prosopis juliflora Acacia saligna Espécies de potencial baixo Acacia raddiana, a.senegal A. cyclops, Faidherbia albida Espécies de potencial nulo As não nodulíferas . Possíveis interação de rizóbio com espécies de leguminosas AderAder-- infinf-- Ader+Ader+ nodnod-- inf+ efeinf+ efe--inf+ efeinf+ efe-- nod+ efinod+ efi-- efe+efe+ efi+efi+ Ader =aderência entre superfície das raízes e de bactériasAder =aderência entre superfície das raízes e de bactérias inf = infecção de raiz pela bactériainf = infecção de raiz pela bactéria nod = formação de nódulosnod = formação de nódulos efe =fixação biológica de Nefe =fixação biológica de N22 efetivaefetiva efi = eficiência superior da FBNefi = eficiência superior da FBN Seleção de estirpes eficientes para uso agrícola Seleção de estirpes eficientes para uso agrícola (produção de inoculantes para leguminosas)(produção de inoculantes para leguminosas) 11-- Condições axênicasCondições axênicas ��Câmara de crescimentoCâmara de crescimento ��NN°° elevadoelevado de de estirpeestirpe ��Pequenos recipientesPequenos recipientes ��Soluções nutritivas cSoluções nutritivas c// e s/e s/ NN 22-- Vasos de LeonardVasos de Leonard (Areia + vermiculita + solução nutritiva)(Areia + vermiculita + solução nutritiva) ��Recipientes maioresRecipientes maiores ��Casa de vegetaçãoCasa de vegetação ��Estirpes selecionadasEstirpes selecionadas 33-- Vasos com solo em Vasos com solo em casa de vegetaçãocasa de vegetação ��Soluções nutritivas cSoluções nutritivas c// e s/e s/ NN ��Estirpes selecionadasEstirpes selecionadas ��Soluções nutritivas cSoluções nutritivas c// e s/e s/ NN 44-- CampoCampo -2 -3 -4 -5 -6 -7 10-1 90 mL solução salina (0,85%) + 10 g de solo10 g solo 9 mL solução salina + 1 mL sol. diluída -8-2 -3 -4 -5 -6 -7 10-1 90 mL solução salina (0,85%) + 10 g de solo10 g solo 10-1 90 mL solução salina (0,85%) + 10 g de solo10 g solo 9 mL solução salina + 1 mL sol. diluída -8 Seleção de estirpes - caupi SoloSolo PlantaPlanta--iscaisca Coleta dos nódulosColeta dos nódulos Isolamento do Isolamento do Isolamento do Isolamento do rizóbiorizóbio Vasos de LeonardVasos de LeonardVasos com soloVasos com solo Experimento de campoExperimento de campo Bactérias fixadoras de N2 podem ser isoladas de nódulos do campo Diferentes isolados testados para sua eficiência em contribuir para o crescimento da planta através da nutrição em N. NN--fertilizerfertilizer ControlControl Phaseolus vulgarisPhaseolus vulgaris beansbeans Nodulação em Nodulação em Macroptilium Macroptilium atropurpureum atropurpureum (siratro), leguminosa(siratro), leguminosa Considerada promíscua,Considerada promíscua, em condições axênicas (semem condições axênicas (semem condições axênicas (semem condições axênicas (sem organismos estranhos) inoculadoorganismos estranhos) inoculado com suspensão de solocom suspensão de solo Phaseolus vulgarisPhaseolus vulgaris N N mineralmineral TEST.TEST.CIAT899CIAT899UFLA 02UFLA 02--8686 UFLA 02UFLA 02--134134 N N UFLA 03UFLA 03--8383 Vigna unguiculataVigna unguiculata N N mineralmineral TEST.TEST.UFLA 03UFLA 03--8383 Glycine max N N mineralmineral TEST.TEST.BR 29BR 29 BR 4406BR 4406 24 16 8 32 0S h o o t d r y m a t t e r w e i g h t ( g ) 1.2 0.9 N o d u l e d r y m a t t e r w e i g h t ( g ) a b c c c c d d a a Leucaena leucocephala 24 16 8 32 0S h o o t d r y m a t t e r w e i g h t ( g ) 1.2 0.9 N o d u l e d r y m a t t e r w e i g h t ( g ) a b c c c c d d a a Leucaena leucocephala 0.6 0.3 0N o d u l e d r y m a t t e r w e i g h t ( g ) 0 C o m p l e t e ( C ) C - N C - N - M A C - N - L i m e C - N - R C - N - M i c r o C - N - P C o n t r o l c b b b c c 0.6 0.3 0N o d u l e d r y m a t t e r w e i g h t ( g ) 0 C o m p l e t e ( C ) C - N C - N - M A C - N - L i m e C - N - R C - N - M i c r o C - N - P C o n t r o l c b b b c c CompletoCompleto:: porpor kg solo :N= 200 mg/kg Nkg solo :N= 200 mg/kg N--NHNH44NONO33, , calagemcalagem V=70%, micro= FTEV=70%, micro= FTE--BR12=20g,BR12=20g, P= 100mg/kg solo P= 100mg/kg solo superfosfatosuperfosfato, K, K--KClKCl= 120mg/kg solo= 120mg/kg solo R=R=rizóbiorizóbio estirpeestirpe BR827, MA=200 BR827, MA=200 esporosesporos//plantaplanta GlomusGlomus etunicatumetunicatum LatossoloLatossolo argilosoargiloso vasos de 4 kgvasos de 4 kg Compatibilidade de agrotóxicos com Compatibilidade de agrotóxicos com rizóbiorizóbio e a e a simbiose das leguminosas(simbiose das leguminosas(DeDe--PolliPolli etet al., 1986)al., 1986) Tóxicos:Tóxicos: 54% dos fungicidas54% dos fungicidas 42% dos herbicidas42% dos herbicidas inseticidas 40%inseticidas 40% Sem efeito:Sem efeito: NematicidasNematicidas Sem efeito:Sem efeito: NematicidasNematicidas Fatores limitantes: nutrientes Fatores limitantes: nutrientes P, N mineral (excesso limita nodulaçãoP, N mineral (excesso limita nodulação inibe nodulação), pH, temperatura, etc.inibe nodulação), pH, temperatura, etc. Tudo que afeta planta afeta simbioseTudo que afeta planta afeta simbiose - ausência da espécie hospedeira ou de outra simbioticamente relacionada no passado imediato - nodulação pobre quando a espécie foi cultivada previamente - número baixo de células de rizóbio (< 50/g solos) - quando a leguminosa segue uma cultura não leguminosa em A necessidade de inoculação de leguminosas deve ser verificada considerando as seguintes situações - quando a leguminosa segue uma cultura não leguminosaem rotação - em recuperação de solos degradados - quando condições ambientais são desfavoráveis para sobrevivência de rizóbio, i.e., solos alcalinos ou muito ácidos, sob inundação prolongada, temperaturas elevadas, ou condições secas Inoculantes Inoculante: corresponde ao substrato de sobrevivência onde se concentram populações das estirpes das espécies bacterianas fixadoras do N2. Equivale ao veículo da bactéria. Inoculação: refere-se à operação agrícola, manual ou mecanizada, por meio da qual possibilita-se o contato físico entre a BFN e a planta hospedeira, com o objetivo de se estabelecer o processo simbionte da FBN atmosférico no sistema radicular da espécie leguminosa. Características desejáveis de estirpes de rizóbios usadas em inoculantes comerciais. •Habilidade de formar nódulos e fixar N na espécie alvo •Habilidade de fixar N numa ampla faixa de genótipos de hospedeiros •Estabilidade genética •Baixa mortalidade na semente •Compatibilidade com agroquímicos •Habilidade de competir na formação de nódulos com população nativa presente no •Habilidade de competir na formação de nódulos com população nativa presente no solo •Habilidade de colonizar a rizosfera do hospedeiro •Habilidade de migrar de um sítio inicial de inoculação •Habilidade de fixar N numa ampla faixa de condições ambientais •Habilidade de formar nódulos e fixar N na presença de N combinado no solo •Habilidade de tolerar estresses ambientais •Habilidade de persistir no solo •Habilidade de colonizar o solo na ausência do hospedeiro Tipos de inoculantes Turfoso Líquido http://www.agricultura.gov.br/pls/portal/docs/PAGE/MAPA/LEGISLACAO/PUBLICACOES_DOU/PUBLICAC OES_DOU_2004/PUBLICACOES_DOU_AGOSTO_2004/DO1_10.08.2004.PDF Soja no mundo http://www.usda.gov/oce/forum/2007%20Speeches/PDF%20PPT/D%20Shields-Web.pdf Produção global 2006/2007 total = 233 milhões ton http://www.usda.gov/oce/forum/2007%20Speeches/PDF%20PPT/D%20Shields-Web.pdf Produção de Soja no Brasil http://www.ams.usda.gov/tmd/TSB/BrazilSoybeanTransportationGuide0507.pdf Estirpes recomendadas como inoculantes para algumas leguminosas SEMIA Glicine max 5019, 587, 5079, 5080 Phaseolus vulgaris 4077, PRF81 Vigna unguiculata (UFLA3-84, INPA 3-11B, BR 3267) Desmodium intortum 656 Stylosanthes spp. 6154, 6155 Trifolium pratense 222, 265Trifolium pratense 222, 265 Vicia sativa 384 Crotalaria juncea 6145, 6156 Dalbergia nigra 6413, 6101 Gliricidia sepium 6168 Leucaena leucocephala 6069, 6153 Coleções de depósito SEMIA (FEPAGRO) e BR (Embrapa- Agrobiologia,RJ)/ RELARE (Rede de laboratórios para recomendação, padronização e difusão de tecnologia de inoculantes microbiológicos de interesse agrícola) Estirpes selecionadas para cerca de 109 espéciesEstirpes selecionadas para cerca de 109 espécies Lei no 6894/1980 Decreto No 4.954/2004Decreto No 4.954/2004 IN no 10/2004 Prazo de validade mínimo de 6 meses, 109 UFC/g no vencimento Sem contaminantes na diluição 10-5 Pacote de inoculante: ≅≅≅≅ R$4,00 50 Kg de semente (soja) (1 ha) Soja e Inoculantes 2006/2007- área plantada 20.960.000 ha, Produção: 57.550.700 ton grãos Economia em fertilizante nitrogenado :US$ 3,3 bilhões Gastos com inoculantes: ≅≅≅≅ R$ 84 milhões •Garante economia de 3,3 bilhões de dólares na agricultura brasileira. •FBN- 2,60 milhões t de N (soja) Demais culturas - 2,34 milhões de t fertilizantes N – 64% importado. Gastos com inoculantes: ≅≅≅≅ R$ 84 milhões Outras leguminosas Amendoim Stylosanthes CrotaláriaPuerária Caupi [Vigna unguiculata (L.) Walp] •Feijão-caupi, feijão de corda, feijão estrada, feijão fradinho, feijão de praia, etc... •O caupi destaca-se dentre as leguminosas cultivadas no•O caupi destaca-se dentre as leguminosas cultivadas no Norte e Nordeste do Brasil. •Excelente fonte de proteína de baixo custo e alimento básico para população. •Bastante cultivado nas regiões tropicais dos continentes africano, asiático e americano e representa 26,8% de todos os feijões produzidos no Brasil. 1100 1200 1300 1400 1500 A AA A Caupi inoculado com estirpes selecionadas de Caupi inoculado com estirpes selecionadas de Bradyrhizobium Bradyrhizobium isoladas da Amazônia : Produção de grãosisoladas da Amazônia : Produção de grãos Kg/haKg/ha (Lacerda et al., 2004)(Lacerda et al., 2004) Origem das estirpesOrigem das estirpes INPA3INPA3--11B11B-- Centrosema sp.Centrosema sp. UFLA3UFLA3--36 36 –– capoeiracapoeira UFLA 3UFLA 3--84 84 -- pastagempastagem 900 1000 1100 CONTROL INPA03-11b UFLA03-36 UFLA03-84 N-fertilizer Inoculação com estirpes de Bradyrhizobium sem inoculação B Caupi é muito consumido nas regiões norte e nordeste, onde é cultivado por Caupi é muito consumido nas regiões norte e nordeste, onde é cultivado por pequenos agricultores que não conhecem esta biotecnologia.pequenos agricultores que não conhecem esta biotecnologia. Cultivar BR14Cultivar BR14 MulatoMulato Perdões, MGPerdões, MG Dúvidas?
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