Figura 1. Quantidade de inoculantes comercializados (doses) no Brasil de 2009 até 2018. Fonte: Adaptado de Anpii (2021).
Estima-se que a fixação biológica de nitrogênio (FBN) simbiótica apresente uma contribuição global para os sistemas produtivos agrícolas da ordem de 21,5 milhões de toneladas de N por ano por meio das bactérias promotoras de crescimento de plantas (BPCPs) (Herridge et al., 2008; Reis et al. 2018), equivalente a 180-710 kg N ha-1 ano-1 (Bottomley e Myrold, 2007; Reis et al., 2018). No Brasil, o caso mais exitoso de sua contribuição é representado pelo uso de inoculantes com estirpes do gênero bacteriano Bradyrhizobium na cultura da soja, com pesquisas iniciadas pela Dra. Johanna Döbereiner, que estudou os aspectos limitantes da FBN em leguminosas tropicais, a partir da década de 1960. Isso influenciou o programa brasileiro de melhoramento de soja e garantiu a competitividade para a cultura quando comparada com a produção de soja de outros países, além de uma economia na ordem de bilhões de dólares anuais com a não aplicação de fertilizantes nitrogenados no sistema produtivo da soja (Embrapa, 2018).
Novos estudos com a utilização de bactérias promotoras de crescimento de plantas (BPCPs) em culturas não leguminosas vêm sendo desenvolvidos nos últimos anos. Embora as estimativas da contribuição da FBN entre bactérias diazotróficas e culturas não leguminosas sejam bem modestas comparativamente à contribuição com leguminosas, variando entre 0 a 75 kg N ha-1 ano-1 (Reis et al., 2018), sua importância no balanço energético transcende esse valor (Boddey et al., 2008; Reis et al., 2018), principalmente se considerarmos os múltiplos benefícios e mecanismos atuantes na promoção de crescimento das plantas, não restritos à FBN.
A utilização de bactérias na agricultura visando promover o crescimento e desenvolvimento vegetal é sem dúvida um dos melhores exemplos do potencial de retorno econômico que a pesquisa científica pode trazer à agricultura mundial, além de ser uma tecnologia em expansão no Brasil e no mundo. A venda de doses de inoculantes no Brasil mais que triplicou na última década (Figura 1). Verifica-se que no país, houve uma grande evolução nas vendas de inoculantes de 2009 a 2018 (Anpii, 2021), as quais ultrapassaram 73 milhões de doses por ano. Neste contexto, as maiores vendas são disparadamente de inoculantes (Bradyrhizobium sp.) para cultura da soja (63.945.667 doses, equivalente à 87% das vendas totais de inoculantes) e nota-se a crescente comercialização de inoculantes para gramíneas (aumento de 360% de 2012 a 2018) (Figura 1).
Mas afinal, o que são bactérias promotoras de crescimento de plantas?
Bactérias promotoras de crescimento de plantas (BPCPs) são microorganismos inoculados na forma líquida ou turfosa, em diferentes culturas, nas sementes, no sulco de semeadura e/ou aplicação foliar, que estimulam o crescimento e desenvolvimentos das plantas por diversos mecanismos. Por exemplo, a produção e secreção de fitormônios, como o ácido indol-3-acético (AIA), citocininas, giberelinas e etileno (Cassán e Diaz-Zorita, 2016) e outros reguladores de crescimento de plantas, como ácido abscísico (Cohen et al., 2008), óxido nítrico (Fibach-Paldi et al., 2012) e poliaminas, como espermidina, espermina e cadaverina (Cassán et al., 2009), o aumento na disponibilidade de nutrientes (Hungria et al., 2010), solubilização do fosfato (Puente et al., 2004), a FBN (Pankievicz et al., 2015; Santos et al., 2017), o aumento na eficiência de uso do N (Hungria et al., 2016; Galindo et al., 2016, 2019a, 2020a), o biocontrole de fitopatógenos e doenças (Bashan e de-Bashan, 2010; Tortora et al., 2011) e a proteção das plantas contra estresse salino e componentes tóxicos do solo (Creus et al., 1997; Cassán e Diaz-Zorita, 2016). A resposta positiva à inoculação vem sendo descrita como a teoria dos mecanismos múltiplos, dependente da interação inoculante-planta-ambiente (Salvo et al., 2018). Uma exemplificação esquemática de alguns dos múltiplos mecanismos de promoção de crescimento de plantas é apresentada na Figura 2.
Figura 2. Esquema resumido do funcionamento das BPCPs. BPCP: bactérias promotoras de crescimento de planta, ACC: 1-aminociclopropano-1-carboxilato, AIA: ácido Indol-3-acético e FBN: fixação biológica de nitrogênio. Fonte: Adaptada de Souza et al. (2015) e Teixeira Filho e Galindo, (2019).
Os principais gêneros de bactérias exploradas na atualidade são Azospirillum, Bacillus, Pseudomonas, Herbaspirillum e Burkholderia. As BPCPs apresentam interações associativas com as plantas em dois principais tipos de associação: 1) associação entre plantas e bactérias de vida livre ou rizosféricas e 2) associação ou simbiose entre plantas e bactérias diazotróficas endofíticas, não patogênicas, que atuam diretamente promovendo o crescimento ou indiretamente como agentes de controle biológico de doenças de plantas (Mariano et al., 2004).
A utilização da inoculação em culturas não leguminosas com BPCPs é crescente em diversos países, principalmente na América Latina, com destaque à utilização nas culturas de milho e trigo (Marks et al., 2015; Salvo et al., 2018), embora diversas pesquisas apontem o benefício destes microrganismos em outras culturas não leguminosas, como arroz (Tan et al., 2015), cana-de-açúcar (Schultz et al., 2012), sorgo (Santos et al., 2017) e pastagens (Hungria et al., 2016). A análise de resultados conduzidos por mais de 20 anos, em diferentes condições de solo e clima, em diversos ensaios a campo com variadas culturas não leguminosas demonstrou a capacidade de algumas BPCPs em aumentar a produtividade das culturas em até 30 % (Fukami et al., 2016, 2017).
Entre as bactérias consideradas promotoras de crescimento, as mais estudadas são as do gênero Azospirillum, principalmente A. brasilense e A. lipoferum (Kaneko et al., 2010; Wisniewski-Dyé et al., 2011; Reis et al., 2018). Este gênero foi descrito em 1978 e, desde então, novas espécies foram descritas e novos gêneros correlatos foram criados. Atualmente, este gênero conta com 12 espécies (Kaneko et al., 2010; Wisniewski-Dyé et al., 2011). A principal característica do gênero Azospirillum é sua capacidade de colonizar plantas em diferentes ecossistemas, desde regiões tropicais até locais com temperaturas abaixo de 0 °C, como o ártico (Reed et al., 2011). Adicionalmente, o Azospirillum é considerado uma bactéria não específica promotora de crescimento de plantas (Bashan et al., 2004), o que despertou o interesse da comunidade científica em pesquisas com diversas espécies vegetais. Na Figura 3 são apresentados alguns resultados de pesquisa com a inoculação com A. brasilense em milho e trigo e a co-inoculação em feijão-caupi e soja em condições de Cerrado. Incrementos em produtividade de grãos na ordem de 5,8 até 10,6% no milho e 9,5 até 24,9% no trigo foram verificados por Galindo et al. (2020b) e Galindo et al. (2019b) (Figura 3). De maneira similar, benefícios da co-inoculação com A. brasilense associado à inoculação com Bradyrhizobium sp. nas sementes foram verificados no feijão-caupi (incremento de 37,5% na produtividade de grãos comparativamente à não inoculação e 21,5% comparativamente à inoculação apenas com Bradyrhizobium sp.) (Galindo et al., 2021) e na cultura da soja (incremento de 7,8% comparativamente à inoculação apenas com Bradyrhizobium sp.) (Galindo et al., 2017) (Figura 3).
Figura 3. Benefício da aplicação de A. brasilense inoculado nas sementes, no sulco de semeadura e via foliar nas culturas do milho e trigo e da co-inoculação com A. brasilense e Bradyrhizobium sp. inoculados na semente nas culturas do feijão-caupi e soja em condições de Cerrado.
Com o avanço do conhecimento científico, a utilização de bactérias associativas vem sendo pesquisada como complemento à inoculação convencional com rizóbios e bradirizóbios em leguminosas, com a técnica da co-inoculação com BPCPs (Hungria et al., 2013, Galindo et al., 2017; Moretti et al., 2018), a qual tem o intuito de aumentar a capacidade de FBN, propiciar maior absorção de água e nutrientes, beneficiar o desenvolvimento das culturas leguminosas e, consequentemente, aumentar a produtividade. Além disso, fica cada vez mais evidente que bactérias nodulíferas também habitam plantas de outras famílias, como, por exemplo, a cana-de-açúcar e o arroz, demonstrando o papel relevante dessa microbiota associado ao desenvolvimento de diferentes culturas (Santoyo et al., 2016; Reis et al., 2018), evidenciando a enorme importância e a necessidade de estudos acerca de bactérias associativas e nodulíferas no desenvolvimento de culturas leguminosas e não leguminosas de interesse agrícola e ambiental. Logo, devem ser estimuladas pesquisas tanto sobre a diversidade destas bactérias como do potencial de aplicações de muitas espécies já descritas, visando não só a uma agricultura de baixo custo e de baixo impacto ambiental, como também ao potencial biotecnológico que estas bactérias apresentam (Moreira et al., 2010).
Considerações finais
O sucesso da FBN por meio de bactérias simbióticas em leguminosas, com destaque à cultura da soja, é um modelo exemplar a ser seguido de agricultura sustentável, gerando ganhos econômicos, ambientais e sociais inestimáveis a cada novo ciclo de cultivo da soja. Isso fez com que o Brasil se tornasse referência em biotecnologia em âmbito mundial. Entretanto, novas pesquisas com a utilização de microrganismos fixadores de N2 devem ser realizadas, para que seja possível substituir total ou parcialmente a adubação nitrogenada em outras leguminosas de interesse econômico, como feijão-carioca, feijão-caupi e amendoim. Para isso, é essencial levar em consideração, nos futuros programas de melhoramento genético, a interação entre novos genótipos com estirpes de bactérias, buscando potencializar o sucesso na FBN.
A utilização de BPCPs tende a crescer ainda mais, em função do baixo custo (em média, a dose de inoculantes é de R$20,00 por hectare) e da facilidade de aquisição e aplicação (via semente, sulco ou foliar), e, ainda, por ser uma tecnologia não poluente, que se insere no contexto sustentável, com potencial de FBN em gramíneas e, principalmente, de promover uma melhor nutrição, crescimento de plantas e produtividades agrícolas.
Várias pesquisas com BPCPs demonstraram que é possível obter altas produtividades, reduzindo em até 25 % a dose de N em cobertura das principais gramíneas cultivadas, ou seja, estes microrganismos aumentam a eficiência da adubação. Ressalta-se ainda que BPCPs podem potencializar o efeito benéfico da inoculação com bactérias simbióticas em leguminosas. Além disso, por terem sua ocorrência e atividade não limitadas às plantas hospedeiras, as BPCPs de vida livre possuem outras funcionalidades ambientais, como bioindicadores de alterações ambientais e a aplicação em processos de biorremediação, com destaque para aqueles relacionados à degradação causada por poluentes ambientais ricos em carbono.
Considerar a interação entre ambiente × genótipos × estirpes (bactérias) é a chave para o sucesso no desenvolvimento de novas recomendações e aplicabilidade de inoculantes na agricultura, que anseia por tecnologias sustentáveis de baixo custo.
Referências
Associação Nacional dos Produtores e Importadores de Inoculantes – Anpii. Estatísticas; 2021 [acesso 1 abr 2021.]. Disponível em: http://www.anpii.org.br/estatisticas/.
Bashan Y, de-Bashan LE. How the plant growth-promoting bacterium Azospirillum promotes plant growth – a critical assessment. Adv Agron. 2010;108:77-136.
Bashan Y, Holguin G, de-Bashan LE. Azospirillum-plant relationships: physiological, molecular, agricultural and environmental advances (1997-2003). Can J Microbiol. 2004;50:521-77.
Boddey LH, Boddey RM, Alves BJR, Urquiaga S. Bio-ethanol production in Brazil. In: Pimentel D, editor. Biofuels, solar and wind as renewable energy systems. Netherlands: Springer; 2008. p. 321-56.
Bottomley PJ, Myrold DD. Biological N inputs. In: Paul EA, editor. Soil microbiology, ecology and biochemistry. 3rd ed. Oxfor: Academic Press; 2007. p. 365-88.
Cassán B, Diaz-Zorita M. Azospirillum sp. in current agriculture: from the laboratory to the field. Soil Biol Biochem. 2016;103:117-30.
Cassán F, Maiale S, Masciarelli O, Vidal A, Luna V, Ruiz O. Cadaverine production by Azospirillum brasilense and its possible role in plant growth promotion and osmotic stress mitigation. Eur J Soil Biol. 2009;45:12-19.
Creus C, Sueldo R, Barassi C. Shoot growth and water status in Azospirillum inoculated wheat seedlings grown under osmotic and salt stresses. Plant Physiol Biochem. 1997;35:939-44.
Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária – Embrapa. Memória Embrapa Johanna Döbereiner. Brasília, DF: 2018 [acesso 1 abr 2021]. Disponível em: https://www.embrapa.br/memoria-embrapa/personagens/johanna-dobereiner.
Fibach-Paldi S, Burdman S, Okon Y. Key physiological properties contributing to rhizosphere adaptation and plant growth promotion abilities of Azospirillum brasilense. FEMS Microbiol Lett. 2012;326:99-108.
Fukami J, Nogueira MA, Araujo RS, Hungria M. Accessing inoculation methods of maize and wheat with Azospirillum brasilense. AMB Express. 2016;6:3-16.
Fukami J, Ollero FJ, Megías M, Hungria M. Phytohormones and induction of plant-stress tolerance and defense genes by seed and foliar inoculation with Azospirillum brasilense cells and metabolites promote maize growth. AMB Express. 2017;7:153-63.
Galindo FS, Teixeira Filho MCM, Buzetti S, Santini JMK, Alves CJ, Nogueira LM, Ludkiewicz MGZ, Andreotti M, Bellotte JLM. Corn yield and foliar diagnosis affected by nitrogen fertilization and inoculation with Azospirillum brasilense. Rev Bras Cienc Solo. 2016;40:e015036.
Galindo FS, Teixeira Filho MCM, Buzetti S, Santini JMK, Ludkiewicz MGZ, Baggio G. Modes of application of cobalt, molybdenum and Azospirillum brasilense on soybean yield and profitability. Rev Bras Eng Agr Amb. 2017;21:180-5.
Galindo, F. S., Buzetti, S., Rodrigues, W. L., Boleta, E. H. M., Silva, V. M., Tavanti, R. F. R., Fernandes, G. C., Biagini, A. L. C., Rosa, P. A. L., Teixeira Filho, M. C. M. Inoculation of Azospirillum brasilense associated with silicon as a liming source to improve nitrogen fertilization in wheat crops. Scientific Reports, 10:6160, 2020a.
Galindo, F. S., Teixeira Filho, M. C. M., Buzetti, S., Pagliari, P. H., Santini, J. M. K., Alves, C. J., Megda, M. M., Nogueira, T. A. R., Andreotti, M., Arf, O. Maize yield response to nitrogen rates and sources associated with Azospirillum brasilense. Agronomy Journal, 111:1985-1997, 2019a.
Galindo, F.S., Pagliari, P.H., Rodrigues, W.L., Pereira, M.R.A., Buzetti, S., Teixeira Filho, M.C.M. Investigation of Azospirillum brasilense inoculation and silicon application on corn yield responses. Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 2020b. https://doi.org/10.1007/s42729-020-00306-x
Galindo, F.S., Rodrigues, W.L., Biagini, A.L.C., Fernandes, G.C., Baratella, E.B., Silva Junior, C.A., Buzetti, S., Teixeira Filho, M.C.M. Assessing forms of application of Azospirillum brasilense associated with silicon use on wheat. Agronomy, 9: 678, 2019b.
Galindo, F.S., Silva, E.C., Pagliari, P.H., Fernandes, G.C., Rodrigues, W.L., Biagini, A.L.C., Baratella, E.B., Silva Junior, C.A., Moretti Neto, M.J., Silva, V.M., Muraoka, T., Teixeira Filho, M.C.M. Nitrogen recovery from fertilizer and use efficiency response to Bradyrhizobium sp. and Azospirillum brasilense combined with N rates in cowpea-wheat crop sequence. Applied Soil Ecology. 157: 103764, 2021.
Herridge DF, Peoples MB, Boddey RM. Global inputs of biological nitrogen fixation in agricultural systems. Plant Soil. 2008;311:1-18.
Hungria M, Campo RJ, Souza EM, Pedrosa FO. Inoculation with selected strains of Azospirillum brasilense and A. lipoferum improves yields of maize and wheat in Brazil. Plant Soil. 2010;331:413-25.
Hungria M, Nogueira MA, Araujo RS. Co-inoculation of soybeans and common beans with rhizobia and azospirilla: Strategies to improve sustainability. Biol Fert Soils. 2013;49:791-801.
Hungria M, Nogueira MA, Araujo RS. Inoculation of Brachiaria spp. with the plant growth promoting bacterium Azospirillum brasilense: An environment-friendly component in the reclamation of degraded pastures in the tropics. Agr Ecosyst Environ. 2016;221:125-31.
Kaneko T, Minamisawa K, Isawa T, Nakatsukasa H, Mitsui H, Kawaharada Y, Nakamura Y, Watanabe A, Kawashima K, Ono A, Shimizu Y, Takahashi C, Minami C, Fujishiro T, Kohara M, Katoh M, Nakazaki N, Nakayama S, Yamada M, Tabata S, Sato S. Complete genomic structure of the cultivated rice endophyte Azospirillum sp. B510. DNA Res. 2010;17:37-50.
Mariano RLR, Silveira EB, Assis SMP, Gomes AMA, Nascimento ARP, Donato VMTS. Importância de bactérias promotoras de crescimento e de biocontrole de doenças de plantas para uma agricultura sustentável. Anais Acad Pernamb Cienc Agron. 2004;1:89-111.
Marks BB, Megías M, Ollero FJ, Nogueira MA, Araujo RS, Hungria M. Maize growth promotion by inoculation with Azospirillum brasilense and metabolites of Rhizobium tropici enriched on lipo-chitooligosaccharides (LCOs). AMB Express. 2015;5:71-82.
Moreira FMS, Silva K, Nóbrega RSA, Carvalho F. Diazotrophic associative bacteria: diversity, ecology and potential applications. Communicata Scientiae, 2010;1:74-99.
Moretti LG, Lazarini E, Bossolani JW, Parente TL, Caioni S, Araujo RS, Hungria M. Can additional inoculations increase soybean nodulation and grain yield? Agron J. 2018;110:1-7.
Pankievicz VCS, Amaral FP, Santos KFDN, Agtuca B, Xu Y, Schueller MJ, Arisi ACM, Steffens MBR, Souza EM, Pedrosa FO, Stacey G, Ferrieri RA. Robust biological nitrogen fixation in a model grass-bacterial association. Plant J. 2015;81:907-19.
Puente M, Li C, Bashan Y. Microbial populations and activities in the rhizoplane of rock weathering desert plants. II. Growth promotion of cactus seedlings. Plant Biol. 2004;6:643-50.
Reed MS, Buenemann M, Atlhopheng J, Akhtar‐Schuster M, Bachmann F, Bastin G, Bigas H, Chanda R, Dougill AJ, Essahli W, Evely AC, Fleskens L, Geeson N, Glass JH, Hessel R, Holden J, Ioris AAR, Kruger B, Liniger HP, Mphinyane W, Nainggolan D, Perkins J, Raymond CM, Ritsema CJ, Schwilch G, Sebego R, Seely M, Stringer LC, Thomas R, Twomlow S, Verzandvoort S. Cross-scale monitoring and assessment of land degradation and sustainable land management: a methodological framework for knowledge management. Land Degrad Develop. 2011;22:261-71.
Reis VM, Jesus EC, Schwab S, Oliveira ALM, Olivares FL, Baldani VLD, Baldani JI. Fixação biológica de nitrogênio simbiótica e associativa. In: Fernandes MS, Souza SR, Santos LA, editores. Nutrição mineral de plantas. 2. ed. Viçosa, MG: Sociedade Brasileira de Ciência do Solo; 2018. p. 280-307.
Salvo LP, Ferrando L, Fernandéz-Scavino A, Salamone IEG. Microorganisms reveal what plants do not: wheat growth and rhizosphere microbial communities after Azospirillum brasilense inoculation and nitrogen fertilization under field conditions. Plant Soil. 2018;424:405-17.
Santos CLR, Alves GC, Macedo AVM, Giori FG, Pereira W, Urquiaga S, Reis VM. Contribution of a mixed inoculant containing strains of Burkholderia spp. and Herbaspirillum ssp. to the growth of three sorghum genotypes under increased nitrogen fertilization levels. Appl Soil Ecol. 2017;113:96-106.
Santoyo G, Moreno-Hagelsieb G, Orozco-Mosqueda M, Glick B. Plant growth-promoting bacterial endophytes. Microbiol Res. 2016;183:92-9.
Schultz N, Morais RF, Silva JA, Baptista RB, Oliveira RP, Leite JM, Pereira W, Carneiro Junior JB, Alves BJR, Baldani JI, Boddey RM, Urquiaga S, Reis VM. Avaliação agronômica de variedades de cana-de-açúcar inoculadas com bactérias diazotróficas e adubadas com nitrogênio. Pesq Agropec Bras. 2012;42:261-8.
Souza R, Ambrosini A, Passaglia LMP. Plant growth-promoting bacteria as inoculants in agricultural soils. Genet Mol Biol. 2015;38:401-9.
Tan KZ, Radziah O, Halimi MS, Khairuddin AR, Shamsuddin ZH. Assessment of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) and rhizobia as multi-strain biofertilizer on growth and N2 fixation of rice plant. Austr J Crop Sci. 2015;9:1257-64.
Teixeira Filho, M. C. M., Galindo, F. S. Inoculação de bactérias com foco na fixação biológica de nitrogênio e promoção de crescimento vegetal. Tópicos em Ciência do Solo. 1ed.: Sociedade Brasileira de Ciência do Solo, 2019, v. 10, p. 577-648.
Tortora M, Diaz-Ricci JC, Pedraza R. Azospirillum brasilense siderophores with antifungal activity against Colletotrichum acutatum. Arch Microbiol. 2011;193:275-86.
Wisniewski-Dyé F, Borziak K, Khalsa-Moyers G, Alexandre G, Sukharnikov LO, Wuichet K, Hurst GB, McDonald WH, Robertson JS, Barbe V, Calteau A, Rouy Z, Mangenot S, Prigent-Combaret C, Normand P, Boyer M, Siguier P, Dessaux Y, Elmerich C, Condemine G, Krishnen G, Kennedy I, Paterson AH, González V, Mavingui P, Zhulin IB. Azospirillum genomes reveal transition of bacteria from aquatic to terrestrial environments. PLoS Genet. 2011;7:e1002430.
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