Credito: O material dessa pagina é essencialmente uma extração, compilação e tradução duma palestra de Cristine Jones, professora australiana (2021). O conceito de Microbioma se torna famoso hoje aplicado na medicina e fisiologia do corpo humano. Mecanismos parecidos acontecem no mundo vegetal e no macro-organismo que representa o solo.

A vida do solo é de longe o sistema mais biodiverso da Terra. É a última fronteira da ciência. 

A biodiversidade é o fator-chave no funcionamento efetivo de todos os sistemas vivos. Pode estar no oceano, na floresta tropical ou no solo.

A biodiversidade do solo permite

• a ciclagem de nutrientes
• a retenção de umidade
• a resistência à pragas e doenças
  • a boa produtividade de culturas e pastagens
• a segurança alimentar
• o funcionamento da paisagem
• o sequestro de carbono

A Organização para a Alimentação e Agricultura dos Estados Unidos estima que o valor socioeconômico da biodiversidade do solo exceda US$1542 bilhões. Manter a biodiversidade é um desafio maior na sobrevivência socioeconômica.

Como sabemos qual biodiversidade temos no solo? 

Menos de 1% dos micróbios do solo são cultiváveis. Quando você pega uma amostra de solo e tenta cultivar os micróbios que ela contém em laboratório, com todas as ferramentas sofisticadas que temos agora, apenas 1% se desenvolverá. Então não podemos estudá-los. Além disso, a maioria dos micróbios no solo está em um estado não ativo (dormente) então difícil de identificar e analisar.

Essa incapacidade nos levou no passado a muitas ações erradas no manejo do solo. Temos confiado em modelos, muitas vezes incorretos, com a impossibilidade de verificar a precisão deles. 

Em 1987 foi publicado o “Modelo clássico da rede alimentar do solo” publicado por H.W. Hunt e colegas. Esse modelo era teórico e, infelizmente, ainda é usado como base em muitos estudos e publicações. Ele se concentrou essencialmente em cálculos teóricos de transformações de nitrogênio por meio dos mecanismos de decomposição em funcionamento na rede alimentar. A transformação do nitrogênio para a nutrição das plantas foi interpretada de forma reducionista; redução do solo em componentes cada vez menores, equivalências de micróbios e simplificação extrema. Se parte do nitrogênio é de fato liberada da maneira como essa teoria foi definida, não é o caminho principal.

O modelo clássico da rede alimentar do solo foi substancialmente revisado à luz dos recentes avanços em tecnologia. A disponibilidade de novos dados e estudos empíricos têm consistentemente encontrado um ciclo de Carbono e Nitrogênio mais eficiente no canal de energia fúngica que começa com carbono lábil na forma de exsudatos de raízes de plantas. Os exsudatos têm 100 e às vezes 1000 de diferentes compostos orgânicos, às vezes usados ​​para alimentar micróbios, às vezes para enviar sinais aos micróbios.

Como estudamos esse canal de alimentação do solo: Observando a fixação do solo ao sistema radicular.

Esta alta ampliação mostra a densidade de hifas (constitutivas do micélio dos fungos) perto da raiz da planta

Estas hifas não são necessariamente micorrizas. Estudos mostraram que muitas delas são de fungos saprofíticos que se alimentam dos exsudatos. 

A canalização de nutrientes e a elaboração da estrutura do solo mais proeminentes feita por fungos não é através da lignina (material duro em decomposição) conforme definido no modelo clássico, mas do carbono lábil. 

Os fungos saprofíticos parecem ter um papel importante nesta via de energia e estudos mostram que os exsudatos não são usados ​​apenas para nutrição dos fungos, mas também são distribuídos para longe da raiz da planta para nutrir bactérias.

Os canais dos fungos têm um biofilme de revestimento que mantém as bactérias ao redor deles, construção parecida a raízes das plantas na rizosfera.

Nesta foto vemos uma hifa de fungos saprofíticos canalizando exsudatos para bactérias. 

Os fungos participam em grande parte da biodiversidade do solo alimentando os microrganismos do solo. 

Os exsudatos das raízes das plantas são agora reconhecidos como constituintes do caminho primário para a construção do solo. O uso pelo solo de material da serapilheira; lignina, celulose, hemicelulose está se tornando periférico no novo modelo de construção do solo, participando principalmente para a disponibilidade de enzimas extracelulares da serapilheira, conforme mostrado na parte esquerda do diagrama a seguir;

Os insumos da raiz da planta constroem carbono do solo de 5 a 30 vezes mais rápido do que o carbono derivado da biomassa acima do solo

Visão ampliada de areia (conhecida por sua incapacidade de construir estrutura do solo) revestida com secreções de fungos, capaz nessa situação de estruturar e enriquecer o solo:

Os inputs da raiz da planta também são a única maneira de construir carbono em profundidade, onde ele é estável.

Por que usar o termo “sociobioma” em vez de microbioma?

Existem muitas e variadas interações entre 

• Plantas e micróbios
• Micróbios e plantas
• Micróbios e micróbios

Todas as interações envolvem sinalização bioquímica.

A sinalização bioquímica permite a coordenação entre micróbios e fortalece suas funções.

As plantas funcionam melhor quando há muitos tipos diferentes de micróbios vivendo ao redor de suas raízes, e a melhor maneira de conseguir isso é ter muitos tipos diferentes de plantas crescendo juntas

Qual efeito a mistura de raízes de diferentes espécies de plantas tem na produtividade das plantas, imunidade a pragas e doenças e tolerância ao estresse (por exemplo, seca, alagamento)?

Campo usado no experimento de 15 anos de biodiversidade de Jena, Alemanha.

O experimento de biodiversidade de Jena usou 1, 2, 4, 8 ou 16 espécies de plantas em 4 grupos funcionais (gramíneas, leguminosas, ervas altas, ervas baixas) distribuídas em diferentes áreas do campo para analisar a produção de biomassa, presença de insetos benéficos, atividade microbiana do solo, balanço hídrico, quantidades de carbono, nitrogênio e fósforo no solo.

O resultado, entre outros, foi uma correlação direta entre o número de diferentes famílias de espécies e a produção de biomassa.

A maior produtividade em diversas comunidades de plantas é devida a:

• A variação na arquitetura das folhas resulta em mais interceptação de luz e mais compostos de carbono exsudados no solo
• Mais exsudatos sustentam mais micróbios
• Mais tipos diferentes de micróbios permitem acesso a um pool genético maior
• Formação de estruturas de agregados mais complexas e resilientes no solo, desenvolvimento de pool de bactérias fixadoras de nitrogênio, resistência a doenças, tolerância à geada, ao calor, à seca e à inundação

Sistemas diversos são auto-organizados: os micróbios sabem cooperar. A sinalização bioquímica complexa que começamos a ver apenas agora lhes dá essa capacidade.

Plantas em comunidades diversas respondem à seca ou ao alagamento recrutando micróbios dos microbiomas de plantas diferentes

No caso da seca, as plantas utilizam material genético do microbioma de plantas diferentes, adaptadas à seca, para resistir ao estresse. Por exemplo, bactérias do microbioma de plantas adaptadas à seca transitam para o microbioma endofítico (ver desenho acima) de plantas menos tolerantes à seca e as enzimas das novas bactérias que chegam fortalecem a parede celular, reduzem a transpiração da planta, etc.

O processo não é gerenciado pela codificação genética da planta, mas pela troca bacteriana, dentro da biodiversidade.

Durante diferentes períodos do ano, ocorrem diferentes especificidades ambientais e a diversidade do microbioma pode fornecer respostas mais especializadas, adaptadas a cada nova situação.

Durante o experimento de Jena, houve inundações com o campo coberto por água por semanas.

As áreas com uma variedade de famílias de espécies de plantas resistiram muito bem, enquanto nas áreas de mono espécies o solo e a vegetação sofreram. 

No caso da monocultura o microbioma de cada planta está em competição com o microbioma das outras plantas.

O caso das redes micorrízicas comuns 

Nesta análise de caso, descobrimos que as interações entre as árvores não são gerenciadas pelas próprias árvores, mas pelos fungos que as conectam, com sua própria motivação para fazê-lo.

O caso: uma árvore decídua (perde as folhas no inverno) com uma grande copa impede que a luz toque uma muda de árvore com folhas persistentes no verão, inibindo a fotossíntese e o crescimento da muda. As árvores conexas  estão conectadas à muda por meio de fungos. 

O que acontece é que o fungo está canalizando carboidratos para a muda com folhas persistentes durante o verão para garantir sua sobrevivência e crescimento. A razão é que quando a árvore decídua perde suas folhas no inverno, a muda com folhas persistentes sendo adulta compensará a perda de fotossíntese e produção de exsudatos, alimento para o fungo.