Mistério Oceânico Desvendado: Cientistas Identificam Fixadores Secretos de Nitrogênio

Uma nova pesquisa revela uma simbiose entre uma diatomácea marinha e uma bactéria semelhante à rizóbia, essencial para a fixação de nitrogênio no oceano, o que também pode impactar futuras práticas agrícolas ao permitir plantas modificadoras fixadoras de nitrogênio.

Cientistas descobriram que bactérias Rhizobia, tradicionalmente conhecidas pela fixação simbiótica de nitrogênio em leguminosas, também fazem parceria com diatomáceas marinhas para fixar nitrogênio, oferecendo uma solução para um mistério marinho de longa data. Essa descoberta não apenas aumenta a compreensão dos ciclos de nitrogênio oceânicos, mas também sugere potenciais aplicações agrícolas e evolutivas, destacando o papel crítico da bactéria na produtividade marinha e na absorção de dióxido de carbono.

O nitrogênio é um componente essencial de todos os organismos vivos. Ele também desempenha um papel crucial na regulação do crescimento de plantações em terra, bem como plantas marinhas microscópicas, que produzem metade do oxigênio do mundo. Embora o gás nitrogênio atmosférico seja o maior reservatório de nitrogênio, as plantas não conseguem transformá-lo em uma forma utilizável. No entanto, certas plantações, como soja, ervilha e alfafa, conhecidas coletivamente como leguminosas, adquiriram parceiros bacterianos rizóbios que “fixam” o nitrogênio atmosférico em amônio, que as plantas podem usar. Essa parceria torna as leguminosas uma das fontes mais importantes de proteínas em nosso suprimento alimentar.

Uma descoberta inovadora em biologia marinha

Ainda não está claro como as plantas marinhas obtêm o nitrogênio de que precisam para crescer. Agora, pesquisadores do Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha, do Instituto Alfred Wegener e da Universidade de Viena descobriram que Rhizobia pode formar parcerias semelhantes com pequenas plantas marinhas chamadas diatomáceas. Esta descoberta, detalhada em um recente Natureza publicação não apenas resolve um antigo mistério marinho, mas também oferece insights que podem levar a tecnologias agrícolas revolucionárias.

Revelando um novo fixador de nitrogênio marinho

Anteriormente, presumia-se que a maior parte da fixação de nitrogênio nos oceanos era realizada por organismos fotossintéticos chamados cianobactérias. No entanto, em vastas regiões do oceano, não há cianobactérias suficientes para contabilizar a fixação de nitrogênio medida. Assim, muitos cientistas levantaram a hipótese de que microrganismos não cianobacterianos devem ser responsáveis ​​pela fixação de nitrogênio “ausente”.

“Por anos, temos encontrado fragmentos de genes que codificam a enzima nitrogenase fixadora de nitrogênio, que parecia pertencer a um fixador de nitrogênio não cianobacteriano em particular”, diz Marcel Kuypers, autor principal do estudo. “Mas não conseguimos descobrir precisamente quem era o organismo enigmático e, portanto, não tínhamos ideia se ele era importante para a fixação de nitrogênio.”

Meet-and-greet no mar. Os dois navios de pesquisa envolvidos no estudo (R/V Meteor e R/V Maria S. Merian) se encontraram algumas vezes durante a expedição. Crédito: Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha Bremen/Wiebke Mohr

Revelando a identidade de um misterioso simbionte

Em 2020, os cientistas viajaram de Bremen para o Atlântico Norte tropical para se juntar a uma expedição envolvendo dois navios de pesquisa alemães. Eles coletaram centenas de litros de água do mar da região, na qual ocorre grande parte da fixação global de nitrogênio marinho, na esperança de identificar e quantificar a importância do misterioso fixador de nitrogênio. Eles levaram os três anos seguintes para finalmente decifrar seu genoma. “Foi um longo e meticuloso trabalho de detetive, mas, no final das contas, o genoma resolveu muitos mistérios”, diz Bernhard Tschitschko, primeiro autor do estudo e bioinformático que agora trabalha na Universidade de Innsbruck.

O coautor e bioinformático Daan Speth da Universidade de Viena acrescenta: “Com base no fragmento do gene da nitrogenase que vimos em muitas amostras marinhas antes, seria de se esperar encontrar esse gene em um organismo relacionado ao Vibrio, mas ao juntar cuidadosamente as informações genéticas, descobriu-se que, em vez disso, ele pertencia a um genoma intimamente relacionado aos Rhizobia conhecidos, que normalmente vivem em simbiose com plantas leguminosas.” Junto com seu genoma surpreendentemente pequeno, isso levantou a possibilidade de que os Rhizobia marinhos pudessem ser um simbionte.

Um grupo de diatomáceas com seus simbiontes marcados com fluorescência. Crédito: Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha Bremen/Mertcan Esti

Descobrindo uma relação simbiótica única

Estimulados por essas descobertas, os autores desenvolveram uma sonda genética que poderia ser usada para rotular fluorescentemente os Rhizobia. “Isso nos permitiu visualizar os Rhizobia diretamente em seu habitat nativo – as amostras ambientais complexas coletadas no Atlântico”, diz Katharina Kitzinger, que começou a contribuir para este projeto no Instituto Max Planck e continuou emprestando sua expertise após se mudar para a Universidade de Viena.

Suas suspeitas sobre ser um simbionte foram rapidamente confirmadas. “Estávamos encontrando conjuntos de quatro Rhizobia, sempre sentados no mesmo lugar dentro das diatomáceas”, diz Kuypers. “Foi muito emocionante, pois esta é a primeira simbiose conhecida entre uma diatomácea e um fixador de nitrogênio não cianobacteriano.”

Os cientistas nomearam o simbionte recém-descoberto Candidatus Tectiglobus diaatomicola. Tendo finalmente descoberto a identidade do fixador de nitrogênio ausente, eles concentraram sua atenção em descobrir como as bactérias e as diatomáceas vivem em parceria. Usando uma tecnologia chamada nanoSIMS, eles puderam mostrar que a Rhizobia troca nitrogênio fixado com a diatomácea em troca de carbono. E ela coloca muito esforço nisso: “Para dar suporte ao crescimento da diatomácea, a bactéria fixa 100 vezes mais nitrogênio do que precisa para si mesma”, explica Wiebke Mohr, uma das cientistas do artigo.

Implicações para a produtividade marinha e absorção de carbono

Em seguida, a equipe voltou aos oceanos para descobrir o quão disseminada a nova simbiose poderia ser no ambiente. Rapidamente descobriu-se que a parceria recém-descoberta é encontrada em todos os oceanos do mundo, especialmente em regiões onde os fixadores de nitrogênio cianobacterianos são raros. Assim, esses minúsculos organismos são provavelmente os principais participantes na fixação total de nitrogênio oceânico e, portanto, desempenham um papel crucial na sustentação da produtividade marinha e na absorção oceânica global de dióxido de carbono.

Potenciais aplicações agrícolas da simbiose marinha

Além de sua importância para a fixação de nitrogênio nos oceanos, a descoberta dessa simbiose sugere outras oportunidades empolgantes no futuro. Kuypers está particularmente animado sobre o que a descoberta significa de uma perspectiva evolucionária. “As adaptações evolucionárias de Ca. T. diaatomicola são muito semelhantes à cianobactéria endossimbiótica UCYN-A, que funciona como uma organela fixadora de nitrogênio em estágio inicial. Portanto, é realmente tentador especular que Ca. T. diaatomicola e seu hospedeiro diatomáceo também podem estar nos estágios iniciais de se tornarem um único organismo.”

Tschitschko concorda que a identidade e a natureza organela do simbionte são particularmente intrigantes. Ele diz: “Até agora, tais organelas só foram demonstradas como originárias das cianobactérias, mas as implicações de encontrá-las entre os Rhizobiales são muito empolgantes, considerando que essas bactérias são incrivelmente importantes para a agricultura. O tamanho pequeno e a natureza organela dos Rhizobiales marinhos significam que ele pode ser um candidato-chave para projetar plantas fixadoras de nitrogênio algum dia.”

Os cientistas agora continuarão estudando a simbiose recém-descoberta e verificarão se outras semelhantes também existem nos oceanos.

Referência: “Simbiose rizóbio-diatomácea corrige nitrogênio ausente no oceano” por Bernhard Tschitschko, Mertcan Esti, Miriam Philippi, Abiel T. Kidane, Sten Littmann, Katharina Kitzinger, Daan R. Speth, Shengjie Li, Alexandra Kraberg, Daniela Tienken, Hannah K. Marchant, Boran Kartal, Jana Milucka, Wiebke Mohr e Marcel MM Kuypers, 9 de maio de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07495-w