A capacidade das leguminosas de transformar nitrogênio atmosférico em nutrientes utilizáveis por meio da associação com bactérias do solo é um dos processos biológicos mais importantes para a agricultura mundial. Agora, pesquisadores chineses descobriram um mecanismo molecular até então desconhecido que fortalece essa simbiose na soja, uma das culturas agrícolas mais valiosas do planeta. O estudo, publicado nesta quarta-feira na revista científica Nature Communications, descreve uma cascata de sinalização que atua como um amplificador biológico da formação de nódulos radiculares, estruturas responsáveis pela fixação de nitrogênio.

A pesquisa foi liderada por Jingjing Lu e Jiahuan Chen, sob coordenação de Xia Li e Zhijuan Wang, do Laboratório Nacional de Melhoramento Genético de Culturas da Huazhong Agricultural University e do Hubei Hongshan Laboratory. Os cientistas identificaram um módulo de sinalização formado por quatro componentes principais — GmSBT1.2, GmPSK4, GmPSKR1 e GmNFR1? — capaz de ativar diretamente os receptores responsáveis por reconhecer os sinais emitidos pelas bactérias simbióticas.

A descoberta ajuda a responder uma questão que intrigava os pesquisadores há décadas: como a planta regula a atividade dos receptores que iniciam o processo de nodulação.

Quando o solo apresenta deficiência de nitrogênio, raízes de leguminosas liberam compostos químicos que atraem bactérias do gênero Bradyrhizobium. Em resposta, os microrganismos produzem moléculas conhecidas como fatores Nod, reconhecidas por receptores especializados presentes nas raízes. Esse reconhecimento desencadeia uma série de eventos celulares que culminam na formação dos nódulos onde ocorre a fixação biológica de nitrogênio.

O novo estudo demonstra que esse sistema possui uma camada adicional de controle. Os pesquisadores descobriram que o fator de transcrição GmNIN1a ativa genes da família GmSBT1.2, especialmente GmSBT1.2b e GmSBT1.2d. Essas proteínas atuam como “tesouras moleculares”, processando um precursor proteico para gerar o peptídeo ativo GmPSK4.

Em seguida, o peptídeo GmPSK4 é reconhecido pelos receptores GmPSKR1. O resultado é surpreendente: o receptor GmPSKR1 interage fisicamente com o receptor de fatores Nod, GmNFR1?, aumentando sua atividade enzimática e amplificando o sinal simbiótico.

Segundo os autores, trata-se da primeira demonstração de que um hormônio peptídico vegetal pode ativar diretamente um receptor central da nodulação.

Para comprovar a importância desse mecanismo, a equipe utilizou edição genética por CRISPR-Cas9 e plantas transgênicas de soja.

Os resultados foram expressivos. Plantas com mutações em GmSBT1.2b apresentaram número significativamente menor de nódulos e redução da atividade da nitrogenase, enzima responsável pela fixação do nitrogênio. Quando dois genes relacionados, GmSBT1.2b e GmSBT1.2d, foram simultaneamente desativados, os efeitos negativos tornaram-se ainda mais severos.

Por outro lado, a superexpressão de GmSBT1.2b praticamente dobrou o número de nódulos em comparação com as plantas-controle.

Experimentos semelhantes envolvendo os genes GmPSK4a e GmPSK4b confirmaram que ambos desempenham papel positivo na nodulação. Mutantes duplos exibiram forte redução tanto no número de nódulos quanto na atividade de fixação de nitrogênio, enquanto plantas superexpressando GmPSK4 apresentaram ganhos significativos nesses parâmetros.

Os pesquisadores também demonstraram que os receptores GmPSKR1 são essenciais para o processo. A eliminação desses genes reduziu em até 71% o número de nódulos, evidenciando a importância crítica do sistema recém-descoberto.

A principal contribuição conceitual do trabalho está na identificação de um circuito de retroalimentação positiva.

Após a percepção inicial dos fatores Nod, a planta ativa GmNIN1a, que por sua vez estimula a produção das proteínas GmSBT1.2. Essas proteínas geram o peptídeo GmPSK4, que ativa GmPSKR1. O receptor então reforça a atividade de GmNFR1?, ampliando novamente o sinal de nodulação. O resultado é um ciclo de reforço que aumenta a eficiência da simbiose.

“Nosso trabalho revela uma interface direta entre a sinalização hormonal por peptídeos e a via central de percepção dos fatores Nod”, escrevem os autores. Segundo eles, esse mecanismo permite que a planta integre informações sobre seu estado fisiológico e as condições ambientais antes de investir energia na formação de nódulos.

A descoberta possui relevância estratégica para a agricultura global. A soja ocupa mais de 140 milhões de hectares em todo o mundo e depende fortemente da fixação biológica de nitrogênio para sustentar altas produtividades sem grandes aplicações de fertilizantes nitrogenados.

A produção industrial desses fertilizantes, baseada no processo Haber-Bosch, consome cerca de 1% a 2% da energia mundial e responde por parcela significativa das emissões globais de gases de efeito estufa. Melhorar naturalmente a eficiência da nodulação poderia reduzir ainda mais a dependência de insumos químicos e diminuir impactos ambientais.

Os autores sugerem que a engenharia genética do módulo GmPSK4–GmPSKR1–GmNFR1? poderá futuramente ser utilizada para aumentar a eficiência simbiótica em cultivares comerciais. Também destacam a necessidade de investigar se esse mecanismo está conservado em outras leguminosas, como feijão, ervilha e alfafa.

Ao desvendar uma peça-chave da comunicação entre plantas e bactérias fixadoras de nitrogênio, o estudo amplia significativamente o entendimento da biologia da simbiose e oferece novas oportunidades para o desenvolvimento de sistemas agrícolas mais produtivos, resilientes e sustentáveis. A descoberta reforça uma visão cada vez mais clara da agricultura do futuro: em vez de depender exclusivamente de insumos externos, ela poderá explorar com maior eficiência os sofisticados mecanismos biológicos que a evolução aperfeiçoou ao longo de milhões de anos.