Tecnologias de Sequenciação Revelando Interacções Planta-Microorganismo

O que é o microbioma?

O microbioma refere-se a uma coleção de microrganismos que possuem características fisicoquímicas distintas, ocupando habitats bem definidos e razoáveis. Este termo abrange não apenas os microrganismos em si, mas também as suas zonas ativas, que estabelecem nichos ecológicos específicos. Este microecossistema dinâmico e interativo sofre alterações ao longo do tempo e da escala e tem uma importância crucial para o funcionamento e a saúde do seu hospedeiro. Composto por microrganismos de vários domínios, como procariontes (bactérias, arqueias) e eucariontes (protozoários, fungos, algas), a 'zona ativa' do microbioma inclui estruturas microbianas, metabolitos, elementos genéticos móveis (como transposões, fagos e vírus), bem como DNA residual incorporado no ambiente do habitat.

O Papel do Microbioma nas Plantas

As comunidades microbianas dentro das plantas apresentam diferenças marcantes em termos de composição em comparação com as dos animais. Devido à maior abundância e diversidade das comunidades vegetais, os microrganismos encontrados nas plantas são relativamente mais complexos. Estes microrganismos vegetais podem ser categorizados em microrganismos de superfície e microrganismos intra-teciduais com base nos seus locais de colonização.

As plantas estão firmemente enraizadas no solo, e o seu sistema radicular, juntamente com a sua apoptose, abscisão e secreções, serve como uma fonte vital de nutrientes e energia para os microrganismos. A estrutura intrincada do sistema radicular também resulta em uma melhoria do estado hídrico e das condições de aeração dentro da espessura de aproximadamente 1 mm próxima à raiz, formando o que é conhecido como a região inter-radicular. Esta região inter-radicular é o principal local de troca de nutrientes e informações entre as plantas e o solo, abrigando microrganismos conhecidos como microrganismos inter-radiculares.

Alguns microrganismos conseguem superar as barreiras do hospedeiro e entrar na raiz, tornando-se microrganismos intra-raiz. Além disso, os microrganismos que residem na superfície da folha, particularmente em torno dos estomas, são chamados de microrganismos inter-folha. Aqueles capazes de penetrar nos estomas ou em outras barreiras para infiltrar os tecidos da planta são conhecidos como microrganismos intra-folha. Notavelmente, os microrganismos recrutados de espécies diversas ou até mesmo de diferentes partes de tecido da mesma espécie exibem perfis distintos, embora certos padrões emergem. As populações bacterianas são predominantemente dominadas por grupos como Ascomycetes, Anaplasma, Posterobacteria e Actinobacteria, enquanto os fungos são principalmente representados por Ascomycetes e Stamenomycetes.

Microbioma no ecossistema vegetal. (Shelake et al., 2019)

Quais fatores influenciam a estrutura dos microorganismos vegetais?

A estrutura do microbioma das plantas é moldada por uma multitude de fatores. As características físicas e químicas do solo atuam como o determinante inicial, influenciando o alcance da comunidade com a qual as raízes das plantas podem interagir diretamente. Flutuações ambientais, atividade de insetos e alimentação herbívora exercem uma influência significativa na assembleia microbiana acessível às partes aéreas da planta. A espécie de planta específica e a sua fase de crescimento desempenham um papel direto na seleção do microbioma associado à planta. Estas dinâmicas impactam coletivamente a dispersão lateral do microbioma das plantas. No caso das plantas com flores, os microrganismos também se transportam através do pólen, néctar e, eventualmente, sementes, transmitindo-se verticalmente como microrganismos das sementes para o ciclo de vida subsequente.

Simultaneamente, as plantas avaliam ativamente os micróbios ambientais com base em requisitos específicos. Inicialmente, compostos primários gerados através da fotossíntese, como açúcares e aminoácidos, são secretados para o meio circundante através das raízes. Isso provoca a recrutamento de microrganismos do banco de sementes microbianas do solo, facilitado pelas provisões de nutrientes. Além disso, metabolitos secundários como cumarinas, compostos fenólicos e compostos pós são sintetizados, levando a um processo de triagem para parceiros microbianos apropriados. Alguns parceiros procuram estabelecer uma relação mais próxima e infiltrar-se nos tecidos através das células corticais. A planta exerce uma triagem mais meticulosa aqui, ativando as suas próprias respostas imunes para expulsar parceiros indesejados. Em última análise, são estabelecidos diversos níveis de cooperação com microrganismos que desempenham funções distintas, dependendo das necessidades da planta.

Avanço da Investigação sobre Plantas e Microbiomas através da Tecnologia de Sequenciação

• Metatranscriptómica

Levando este caminho investigativo a um nível superior, metatranscriptómica aprofunda-se ao direcionar-se para as moléculas de RNA dentro de uma amostra. Este método fornece uma perspetiva em tempo real sobre a dinâmica da expressão gênica ativa da comunidade microbiana, fornecendo assim um retrato intricado dos seus papéis funcionais em um contexto dinâmico. Através de uma análise rigorosa do transcriptoma no contexto do microbioma vegetal, os investigadores podem identificar habilidosamente os fundamentos genéticos de diversas atividades que abrangem o ciclo de nutrientes, mecanismos de defesa contra patógenos e canais de comunicação complexos estabelecidos com o hospedeiro vegetal.

Por favor, leia o nosso artigo. Visão Geral do Sequenciamento Metatranscriptómico: Princípios, Fluxo de Trabalho e Aplicações.

• Sequenciação de 16S rRNA e ITS

Na vanguarda da análise do microbioma encontra-se a técnica fundamental de sequenciamento de regiões genéticas específicas inerentes aos genomas microbianos, como o gene do RNA ribossómico 16S para entidades bacterianas e a região do Espaçador Interno Transcrito (ITS) para os homólogos fúngicos. Estes genes exibem uma notável conservação entre espécies, ao mesmo tempo que contêm domínios variáveis que facilitam a discriminação entre diversos táxons microbianos. Ao aproveitar o poder de Sequenciação de 16S rRNA e ITSos investigadores estão habilmente equipados para derivar um perfil taxonómico meticuloso do microbioma, descobrindo assim padrões intrincados de diversidade e a prevalência relativa de vários grupos microbianos.

Para mais informações, consulte Princípios e Fluxo de Trabalho da Sequenciação de Amplicões 16S/18S/ITS.

• Metagenómica de Shotgun

Uma busca distinta dentro deste panorama investigativo é o paradigma de metagenómica shotguncaracterizado por uma sequenciação abrangente de material genético dentro de uma amostra, sem a restrição de direcionamento específico a genes. Esta estratégia holística fornece uma descrição abrangente do potencial genético encapsulado na comunidade microbiana, permitindo uma exploração aprofundada não apenas das dimensões taxonómicas, mas também das proficiências funcionais exibidas por estes microrganismos. As percepções obtidas através da metagenómica shotgun vão além da identificação taxonómica, abrangendo domínios que incluem o conteúdo genético, vias metabólicas e as potenciais interações dentro do intrincado microbioma.

Pode estar interessado no nosso artigo. Introdução à Metagenómica de Shotgun, da Amostragem à Análise de Dados.

O processo de preparação de bibliotecas e sequenciação das plataformas de sequenciação de nova geração. (Knief et al., 2014)

• Sequenciação de Longa Leitura

O advento das tecnologias de sequenciação de longas leituras, exemplificado por plataformas como Pacific Biosciences (PacBio) e Oxford Nanopore, concedeu aos investigadores uma capacidade sem igual de gerar sequências de ADN extensas num único evento de leitura. Este avanço tecnológico é especialmente relevante na montagem de genomas microbianos complexos e na resolução de discrepâncias genómicas que surgem dentro das espécies. O potencial de sequenciação de leitura longa estende-se à descoberta de espécies microbianas e sub-estratos até agora inexplorados, aninhados dentro do microbioma das plantas, iluminando assim dimensões de diversidade que até agora tinham escapado à análise.

• Desafios e Soluções em Bioinformática

Em conjunto com estas metodologias transformadoras, torna-se evidente que a geração de vastos conjuntos de dados apresenta desafios formidáveis nos domínios de análise de dados e interpretação. O papel fundamental das ferramentas de bioinformática torna-se evidente no contexto do processamento, dissecção e representação visual dos complexos paisagens de dados que emergem. Os investigadores estão equipados com uma variedade de algoritmos e pipelines de processamento de dados, cada um dedicado a tarefas como a atribuição taxonómica de sequências, a prognose de genes funcionais e a meticulosa reconstrução de genomas microbianos a partir de fontes de dados fragmentadas. Este panorama dinâmico é ainda enriquecido pela evolução dos paradigmas de aprendizagem automática e pela confluência de estratégias de integração de dados, ambas as quais capacitam os investigadores a decifrar a intrincada tapeçaria de relações embutidas no microbioma das plantas.

O Papel dos Microrganismos Simbióticos nas Plantas

(i) Microrganismos simbióticos contribuem com nutrientes para o hospedeiro.

Microorganismos que vivem em simbiose nas raízes das plantas melhoram a absorção de nutrientes. Notavelmente, certas bactérias, como as do tipo fixadoras de azoto, amonificadoras e nitrificadoras, facilitam a transferência de azoto do ambiente para a planta. Além disso, fungos de aglomeração ajudam no crescimento da planta ao converter nutrientes minerais em uma forma acessível através da oxidação e solubilização.

(ii) Microorganismos simbióticos alteram as características de crescimento das plantas.

A presença de microrganismos simbióticos pode modificar os atributos físicos das plantas. Pesquisas recentes destacaram como as bactérias que colonizam as raízes das plantas podem remodelar a morfologia das raízes. Isso é alcançado através da ativação da via de resposta ao etileno, influenciando diretamente características como o comprimento e o diâmetro das raízes, bem como o diâmetro, volume e densidade das raízes laterais em Arabidopsis thaliana.

(iii) Microrganismos simbióticos aumentam a resistência do hospedeiro contra patógenos.

Durante os ataques de patógenos, comunidades simbioticas especializadas de raízes ou folhas são recrutadas através de uma estratégia de "pedido de ajuda". Estas comunidades ajudam a impedir as invasões de patógenos, aproveitando o antagonismo bacteriano e desencadeando respostas imunes na planta hospedeira.

(iv) Interacção Planta-Microbioma: Respostas Sinérgicas Abrangendo Todo o Espectro Funcional.

Processos de seleção mutuamente benéficos entre plantas e as suas comunidades associadas levam ao desenvolvimento de um mecanismo de resposta mais integrado às mudanças ambientais. Esta sinergia forma uma "unidade funcional" coesa que se adapta em conjunto. No contexto da diversidade varietal, o arroz indica é capaz de mobilizar comunidades distintas para melhorar a absorção de nitrogénio. Além disso, comunidades simbióticas influenciam significativamente o desenvolvimento da resistência a doenças do arroz híbrido.

Referências:

1. Shelake, Rahul Mahadev, Dibyajyoti Pramanik e Jae-Yean Kim. "Exploração das interacções planta-microbio para uma agricultura sustentável na era CRISPR." Microorganismos 7.8 (2019): 269.
2. Knief, Claudia. "Análise das interacções entre plantas e micróbios na era das tecnologias de sequenciação de nova geração." Frontiers in Plant Science 5 (2014): 216.