O crescimento das plantas é sustentado por milhões de minúsculos micróbios do solo que competem e cooperam entre si, desempenhando funções importantes nas raízes, como melhorar o acesso a nutrientes e proteger contra patógenos. Como subproduto do seu metabolismo, os micróbios do solo também podem produzir óxido nitroso, ou N2O , um potente gás de efeito estufa que tem sido estudado principalmente pelo seu impacto no clima. Embora algum N2O ocorra naturalmente, sua produção pode aumentar drasticamente devido à aplicação de fertilizantes e outros fatores.

Embora se acredite há muito tempo que o óxido nitroso não interaja de forma significativa com os organismos vivos, um novo artigo de dois pesquisadores do MIT mostra que ele pode, na verdade, moldar as comunidades microbianas, tornando algumas cepas bacterianas mais propensas a crescer do que outras.

Com base na prevalência dos processos biológicos afetados pelo óxido nitroso, os pesquisadores estimam que cerca de 30% de todas as bactérias com genomas sequenciados são suscetíveis à toxicidade do óxido nitroso, sugerindo que a substância pode desempenhar um papel importante e subestimado nos complexos ecossistemas microbianos que influenciam o crescimento das plantas.

Os pesquisadores publicaram suas descobertas hoje na mBio , uma revista da Sociedade Americana de Microbiologia. Se as descobertas em laboratório forem aplicáveis ao ambiente agrícola, poderão influenciar a maneira como os agricultores realizam tarefas cotidianas que expõem as plantações a picos de óxido nitroso, como irrigação e fertilização.

“Este trabalho sugere que a produção de N2O em ambientes agrícolas merece atenção para a saúde das plantas”, afirma a autora sênior Darcy McRose, professora de Desenvolvimento de Carreira Thomas D. e Virginia W. Cabot do MIT, que escreveu o artigo com o autor principal e estudante de doutorado Philip Wasson. “Não tem recebido a devida atenção, mas é particularmente prejudicial para certos microrganismos. Isso pode ser mais um ponto negativo para o N2O, além de seu impacto climático. Com mais pesquisas, poderemos entender como o momento da produção de N2O influencia essas relações microbianas e como esse momento pode ser gerenciado para melhorar a saúde das culturas.”

O óxido nitroso foi considerado tóxico há décadas, quando pesquisadores perceberam que ele pode desativar a vitamina B12 no corpo humano. Desde então, ele tem recebido atenção principalmente como um gás de efeito estufa de longa duração que pode destruir a camada de ozônio. Mas, quando se trata de ambientes agrícolas, a maioria das pessoas presume que ele não interage com os organismos que crescem no solo ao redor da raiz da planta, uma região chamada rizosfera.

“Em geral, presume-se que o N2O não seja prejudicial, apesar de um histórico de estudos publicados que mostram que ele pode ser tóxico em contextos específicos”, diz McRose, que ingressou no corpo docente do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental em 2022. “Essa compreensão não foi estendida às comunidades microbianas na rizosfera.”

Embora alguns estudos tenham demonstrado a sensibilidade ao óxido nitroso em alguns microrganismos, pouco se sabe sobre como ele afeta a distribuição das comunidades microbianas na raiz da planta. McRose e Wasson buscaram preencher essa lacuna na pesquisa.

Eles começaram analisando um processo onipresente que as células usam para crescer, chamado biossíntese de metionina. A biossíntese de metionina pode ser realizada por enzimas dependentes de vitamina B12 — e por outras enzimas que não dependem. Muitas bactérias possuem ambos os tipos.

Utilizando um micróbio bem estudado chamado Pseudomonas aeruginosa , os pesquisadores removeram geneticamente a enzima que não depende da vitamina B12 e descobriram que o micróbio se tornou sensível ao óxido nitroso, com seu crescimento prejudicado até mesmo pelo óxido nitroso que ele mesmo produzia.

Em seguida, os pesquisadores analisaram uma comunidade microbiana sintética da planta Arabidopsis thaliana , descobrindo que muitos micróbios presentes nas raízes também eram sensíveis ao óxido nitroso. A combinação de micróbios sensíveis com bactérias produtoras de óxido nitroso prejudicou seu crescimento.

“Isso sugere que as bactérias produtoras de N2O podem afetar a sobrevivência de seus vizinhos imediatos”, explica Wasson. Em conjunto, os experimentos confirmaram a suspeita dos pesquisadores de que a produção de óxido nitroso pode prejudicar o crescimento de bactérias do solo que dependem da vitamina B12 para produzir metionina.

“Esses resultados sugerem que os produtores de óxido nitroso moldam as comunidades microbianas”, diz McRose. “Em laboratório, o resultado é muito claro, e o trabalho vai além da simples análise de um único organismo. Os experimentos de cocultura não são o mesmo que um estudo de campo, mas são uma demonstração robusta.”

Em fazendas, o solo frequentemente apresenta picos de óxido nitroso por dias ou semanas devido à adição de fertilizantes nitrogenados, chuvas, degelo e outros eventos. Os pesquisadores alertam que seus experimentos em laboratório são apenas o primeiro passo para entender como o óxido nitroso afeta as populações microbianas em ambientes agrícolas.

Wasson considera o artigo uma prova de conceito e planeja estudar o solo agrícola em seguida.

McRose afirma que as descobertas podem levar a uma nova forma de pesquisadores e agricultores pensarem sobre o óxido nitroso.

“O que é importante e empolgante neste caso é que ele prevê que os micróbios com uma versão de uma enzima serão sensíveis ao N2O, enquanto aqueles com uma versão diferente da enzima não serão sensíveis”, diz McRose. “Isso sugere que, no ambiente, a exposição ao N2O selecionará certos tipos de organismos com base em seu conteúdo genômico, o que é uma hipótese altamente testável.”

Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Comitê de Apoio à Pesquisa do MIT e por uma Bolsa de Estudos Colaborativa para Pós-Graduação em Ciências da Saúde e da Vida do MIT (HEALS).