Endófito - Endophyte

Imagem do microscópio eletrônico de transmissão de uma seção transversal de um nódulo de raiz de soja ( Glycine max ). A bactéria fixadora de nitrogênio, Bradyrhizobium japonicum , infecta as raízes e estabelece uma simbiose. Esta imagem de alta ampliação mostra parte de uma célula com um único bacteróide (célula semelhante à bactéria ou célula bacteriana modificada) em seus simbiossomas . Nesta imagem, você também pode ver o retículo endoplasmático , o aparelho de Golgi e a parede celular.

Um endófito é um endossimbionte , geralmente uma bactéria ou fungo , que vive dentro de uma planta por pelo menos parte de seu ciclo de vida sem causar doença aparente. Endófitos são onipresentes e foram encontrados em todas as espécies de plantas estudadas até o momento; no entanto, a maioria das relações endófito / planta não é bem compreendida. Alguns endófitos podem aumentar o crescimento do hospedeiro, a aquisição de nutrientes e melhorar a capacidade da planta de tolerar estresses abióticos, como seca, salinidade e diminuir estresses bióticos, aumentando a resistência da planta a insetos, patógenos e herbívoros .

História

Os endófitos foram descritos pela primeira vez pelo botânico alemão Johann Heinrich Friedrich Link em 1809. Acreditava-se que fossem fungos parasitas de plantas e mais tarde foram denominados "microzimas" pelo cientista francês Béchamp. Acreditava-se que as plantas eram saudáveis ​​em condições estéreis e só em 1887 Victor Galippe descobriu bactérias que ocorrem normalmente no interior dos tecidos vegetais. Porém, a maioria dos estudos endofíticos relata a relação mutualística de bactérias e fungos, Das et al., (2019) relataram sobre viroma endofítico e sua provável função nos mecanismos de defesa das plantas.

Transmissão

Os endófitos podem ser transmitidos verticalmente (diretamente dos pais para os filhos) ou horizontalmente (entre os indivíduos). Endófitos fúngicos transmitidos verticalmente são normalmente considerados clonais e se transmitem por meio de hifas fúngicas que penetram no embrião nas sementes do hospedeiro , enquanto a reprodução dos fungos por meio de conídios assexuados ou esporos sexuais leva à transmissão horizontal, onde os endófitos podem se espalhar entre plantas em uma população ou comunidade.

Simbiose

Interações planta-bactéria endofítica
Abreviaturas: (PHA), compostos orgânicos voláteis (VOC), espécies reativas de oxigênio (ROS), espécies reativas de nitrogênio (RNS), sistema de secreção tipo III (T3SS), sistema de secreção tipo VI (T6SS), hemaglutininas (HA), pequenos RNAs (sRNAs), cobre-micro RNAs (Cu-miRNAs), lipopolissacarídeo (LPS), proteínas de arabinogalactano (AGPs), padrões moleculares associados a micróbios (MAMPs), ácido jasmônico (JA), etileno (ET), ácido salicílico (SA) . As setas apontando para cima indicam aumento, enquanto as setas apontando para baixo indicam diminuição dos níveis de expressão.

A maioria das relações endófita-planta ainda não é bem compreendida. Porém, recentemente foi demonstrado que os endófitos são transmitidos de uma geração para outra via sementes, em um processo denominado transmissão vertical. Endófitos e plantas frequentemente se envolvem em mutualismo, com endófitos principalmente ajudando na saúde e sobrevivência da planta hospedeira com problemas como patógenos e doenças, estresse hídrico, estresse térmico, disponibilidade de nutrientes e baixa qualidade do solo, salinidade e herbivoria. Em troca, o endófito recebe carbono para energia do hospedeiro da planta. As interações planta-micróbio não são estritamente mutualísticas , já que fungos endofíticos podem potencialmente se tornar patógenos ou saprotróficos , geralmente quando a planta está estressada. Os endófitos podem se tornar ativos e se reproduzir em condições ambientais específicas ou quando suas plantas hospedeiras estão estressadas ou começam a senescer , limitando assim a quantidade de carbono fornecida ao endófito.

Os endófitos podem beneficiar as plantas hospedeiras, impedindo que outros organismos patogênicos ou parasitas as colonizem. Os endófitos podem colonizar extensivamente os tecidos vegetais e excluir competitivamente outros patógenos potenciais. Alguns endófitos fúngicos e bacterianos comprovadamente aumentam o crescimento da planta e melhoram a robustez geral da planta.

Estudos têm mostrado que os fungos endofíticos crescem em uma interação muito íntima com as células da planta hospedeira. As hifas fúngicas foram vistas crescendo achatadas ou comprimidas contra as células vegetais. Este padrão de crescimento indica que as hifas fúngicas estão substancialmente ligadas à parede celular do hospedeiro da planta, mas não invadem as células da planta. As hifas fúngicas endofíticas parecem crescer na mesma taxa que as folhas do hospedeiro, dentro dos espaços intercelulares do tecido da planta.

A presença de certos endófitos fúngicos nos meristemas , folhas e estruturas reprodutivas do hospedeiro aumenta dramaticamente a sobrevivência de seus hospedeiros. Essa capacidade de sobrevivência aumentada é amplamente atribuída à produção endofítica de metabólitos secundários que protegem contra a herbivoria, bem como ao aumento da absorção de nutrientes. Estudos também demonstraram que, durante as circunstâncias experimentais, os endófitos contribuem significativamente para o crescimento e a aptidão das plantas sob condições de luz limitada, e as plantas parecem ter maior dependência de seu simbionte endofítico sob essas condições.

Há evidências de que as plantas e os endófitos se comunicam entre si, o que pode ajudar na simbiose. Por exemplo, foi demonstrado que os sinais químicos de plantas ativam a expressão gênica em endófitos. Um exemplo dessa interação planta-endossimbionte ocorre entre plantas dicotiledôneas em Convolvulaceae e fungos clavicipitáceos . Quando o fungo está na planta, ele sintetiza alcalóides ergolina em uma taxa mais alta, em comparação com quando é cultivado separado da planta. Isso apóia a hipótese de que a sinalização da planta é necessária para induzir a expressão de metabólitos secundários endofíticos.

Efeitos no comportamento da planta

Existem vários comportamentos que foram estudados que resultaram da simbiose de endófitos com plantas. Por meio da associação com endófitos fúngicos, as estruturas de raízes e caules de mudas de Pseudotsuga menziesii ( Douglas-fir ) em condições de baixo teor de nutrientes mostraram-se alongadas, além de sofrerem aumentos gerais de biomassa. Os mecanismos propostos por trás disso incluem alta capacidade de solubilização de fosfato inorgânico pelos fungos, bem como mineralização de fosfato orgânico, aumento de associações micorrízicas por meio da colonização da raiz e aumento da absorção de nitrogênio e fósforo. Espécies endófitas específicas também podem estimular o crescimento da raiz, aumentando o fluxo de auxina para onde o endófito está.

Além disso, vários relatórios sobre as interações de endófitos mostraram aumento da capacidade fotossintética de plantas hospedeiras, bem como relações de água melhoradas. Melhorias na eficiência do uso da água foram observadas em concentrações mais altas de CO2 e um aumento adicional foi visto em condições de déficit hídrico. Além disso, várias outras vias fisiológicas foram ativadas nas interações dos endófitos com as plantas hospedeiras, permitindo um controle mais rígido da água e uma maior gestão da água, que devem ser as principais razões por trás da melhoria das relações com a água. Especificamente, as evidências indicam que os endófitos que produzem ABA afetam a condutância estomática, bem como a respiração microbiana e a reciclagem de CO2 das plantas.

No entanto, os mecanismos bioquímicos específicos por trás dessas mudanças comportamentais ainda são amplamente desconhecidos e as cascatas de sinal de nível inferior ainda precisam ser descobertas. Além disso, embora os benefícios das relações endófitas sejam bem estudados, os custos dessas relações são menos compreendidos, como os custos específicos do carbono, o sistema de governança de endófitos e as condições ambientais que facilitam uma relação planta-endófita adequada.

Em um experimento investigando a interação entre Miscanthus sinensis e o endófito da planta Herbaspirillum frisingense , um aumento de aproximadamente 20% na biomassa fresca foi observado em M. sinensis após inoculação com H. frisingense . No entanto, único neste experimento foi o modo pelo qual isso foi pensado para acontecer. A inoculação viu uma regulação positiva nos genes relevantes para a produção de jasmonato e etileno nas raízes das plantas, embora o mecanismo para isso ainda seja desconhecido. Especificamente, H. frisingense demonstrou regular positivamente os receptores de etileno e reprimir os fatores de resposta ao etileno, em geral levando a um aumento no crescimento da raiz. Além disso, H. frisingense é conhecido por produzir ácido indolacético (IAA) , e também foi mostrado para gerenciar genes IAA, indicando que há um equilíbrio intrincado mantido entre etileno e IAA por H. frisingense .

Diversidade

As espécies endofíticas são muito diversas; apenas uma pequena minoria de endófitos existentes foi caracterizada. Muitos endófitos estão nos filos Basidiomycota e Ascomycota . Os fungos endofíticos podem ser de Hypocreales e Xylariales da classe Sordariomycetes (Pyrenomycetes) ou da classe de Loculoascomycetes. Um grupo de endófitos fúngicos são os fungos micorrízicos arbusculares envolvendo Glomeromycota biotrófico associado a várias espécies de plantas. Como costuma acontecer com outros organismos associados a plantas, como o fungo micorrízico , os endófitos ganham carbono por sua associação com a planta hospedeira. Os endófitos bacterianos são polifiléticos, pertencendo a uma ampla gama de taxa, incluindo α-Proteobacteria, β-Proteobacteria, γ-Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria.

Um ou mais organismos endofíticos são encontrados em quase todas as plantas terrestres. É sugerido que áreas de alta diversidade de plantas, como florestas tropicais úmidas, também podem conter a maior diversidade de organismos endofíticos que possuem novos e diversos metabólitos químicos. Estima-se que pode haver aproximadamente 1 milhão de fungos endofíticos existentes no mundo.

Uma bactéria diazotrófica isolada em pinheiros lodgepole ( Pinus contorta ) na Colúmbia Britânica, Canadá, é Paenibacillus polymyxa , que pode ajudar seu hospedeiro fixando nitrogênio.

Classificação

Os endófitos incluem uma ampla variedade de microorganismos, incluindo fungos, bactérias e vírus. Existem dois meios diferentes de classificação dos endófitos.

Sistêmico e não sistêmico

O primeiro método divide os endófitos em duas categorias: sistêmico (verdadeiro) e não sistêmico (transitório). Essas categorias são baseadas na genética, biologia e mecanismo de transmissão do endófito de hospedeiro para hospedeiro. Endófitos sistêmicos são definidos como organismos que vivem dentro dos tecidos vegetais durante todo o seu ciclo de vida e participam de uma relação simbiótica sem causar doenças ou danos à planta em nenhum momento. Além disso, as concentrações e diversidade de endófitos sistêmicos não mudam em um hospedeiro com a mudança das condições ambientais. Os endófitos não sistêmicos ou transitórios, por outro lado, variam em número e diversidade dentro de seus hospedeiros vegetais sob mudanças nas condições ambientais. Endófitos não sistêmicos também demonstraram se tornar patogênicos para suas plantas hospedeiras sob condições de crescimento estressantes ou com recursos limitados.

Clavicipitáceo e não-clavicipitáceo

O segundo método divide fungos endófitos em quatro grupos com base em taxonomia e seis outros critérios: gama de hospedeiros, tecidos do hospedeiro colonizado, in planta colonização, in planta biodiversidade, o modo de transmissão e benefícios de fitness. Esses quatro grupos são divididos em endófitos clavicipitáceos (Classe 1) e endófitos não clavicipitáceos (Classes 2, 3 e 4).

Os endófitos de classe 1 são todos relacionados filogeneticamente e proliferam em gramíneas de estação fria e quente. Eles normalmente colonizam os brotos das plantas, onde formam uma infecção intercelular sistêmica. Os endófitos de classe 1 são transmitidos principalmente de hospedeiro para hospedeiro por transmissão vertical, na qual as plantas maternas passam fungos para seus descendentes por meio de sementes. Endófitos de classe 1 podem ser divididos em tipos I, II e III. Entre esses três tipos de endófitos clavicipitáceos estão diferentes interações com seus hospedeiros vegetais. Essas interações variam de patogênicas a simbióticas e sintomáticas a assintomáticas . Endófitos clavicipitáceos do tipo III crescem dentro de sua planta hospedeira sem manifestar sintomas de doença ou prejudicar seu hospedeiro. Endófitos de classe 1 geralmente conferem benefícios ao hospedeiro da planta, como melhorar a biomassa da planta, aumentar a tolerância à seca e aumentar a produção de produtos químicos que são tóxicos e pouco apetitosos para os animais, diminuindo assim a herbivoria. Esses benefícios podem variar dependendo do hospedeiro e das condições ambientais.

Endófitos não clavicipitáceos representam um grupo polifilético de organismos. Endófitos não clavicipitáceos são tipicamente fungos Ascomycota . Os papéis ecológicos desses fungos são diversos e ainda mal compreendidos. Essas interações com plantas endófitas são generalizadas e foram encontradas em quase todas as plantas terrestres e ecossistemas. Muitos endófitos não clavicipitáceos têm a capacidade de alternar entre o comportamento endofítico e estilos de vida de vida livre. Os endófitos não clavicipitáceos são divididos em classes 2, 3 e 4. Os endófitos de classe 2 podem crescer em tecidos vegetais acima e abaixo do solo. Esta classe de endófitos não clavicipitáceos foi a mais extensivamente pesquisada e demonstrou aumentar os benefícios de aptidão de seu hospedeiro vegetal como resultado de estresses específicos do habitat, como pH, temperatura e salinidade. Endófitos de classe 3 são restritos ao crescimento em tecidos vegetais acima do solo e se formam em áreas localizadas de tecido vegetal. Endófitos de classe 4 são restritos aos tecidos vegetais abaixo do solo e podem colonizar muito mais do tecido vegetal. Essas classes de endófitos não clavicipitáceos não foram tão extensivamente estudadas até o momento.

Formulários

Endófitas podem ter potenciais aplicações futuras na agricultura. O uso de endófitos pode aumentar potencialmente os rendimentos das culturas . Sementes de grama de Festuca e Lolium perenne infectadas com inoculantes fúngicos , Acremonium coenophialum e A. lolii , estão comercialmente disponíveis para uso em gramados que podem exigir menos uso de pesticidas - as gramíneas são venenosas para o gado e mais resistentes a alguns danos causados ​​por insetos. Em 1999, isso só estava disponível nas gramíneas mencionadas anteriormente, que eram vendidas como cultivares de 'baixa manutenção' . Os fungos fazem com que as gramíneas contenham alcalóides tóxicos . Os produtos oferecem alta resistência a pragas foliares de grama, como percevejos, percevejos, vermes da grama, vermes do exército e gorgulhos do caule argentino, mas oferecem pouca proteção a pragas de raízes como as larvas. Os endófitos podem sobreviver à maioria dos pesticidas e são até resistentes a alguns fungicidas , sendo muito adequados para uso no Manejo Integrado de Pragas .

Biocombustível

Um experimento de 2008 com um isolado de um fungo chamado NRRL 50072 descobriu que esta cepa pode produzir uma pequena quantidade de compostos de hidrocarbonetos semelhantes a combustível que foram promovidos como "myco-diesel". Esperava-se que talvez no futuro isso pudesse fornecer uma possível fonte de biocombustível . Foi inicialmente identificado erroneamente como o endófito Gliocladium roseum , mas pesquisas posteriores mostraram que era na verdade o saprófito Ascocoryne sarcoides .

Uma cepa de fungos endofíticos que parecia estar intimamente relacionada a Nigrograna mackinnonii, que foi isolada de um caule da planta Guazuma ulmifolia coletada no Equador, produziu uma variedade de compostos orgânicos voláteis, incluindo terpenos e polienos de cadeia ímpar . Os polienos isolados do fungo têm propriedades que são procuradas nos biocombustíveis de gasolina e derivados.

Fitorremediação

As plantas são potencialmente capazes de quebrar ou sequestrar, ou estimular micro-organismos no solo a quebrar ou sequestrar, certos poluentes orgânicos e inorgânicos como o níquel em ecossistemas degradados, o que é conhecido como fitorremediação . Nesse caso, os endófitos podem auxiliar as plantas na conversão de poluentes em formas menos prejudiciais biológicas; em um dos poucos experimentos realizados, um plasmídeo chamado TOM de uma cepa de uma bactéria do gênero Burkholderia conhecida como G4, que pode decompor o tricloroetileno (TCE), foi transferido para endófitos de árvores populares ; embora não tenha ajudado as plantas a remover mais desse produto químico do que as plantas não inoculadas, as plantas transpiraram menos TCE no ar. Em outro experimento, a bactéria Burkholderia com o plasmídeo TOM e também os genes de resistência ao níquel foi inoculada em tremoço amarelo ; isso aumentou a massa da raiz das plantas, mas as quantidades de TCE transpiradas não foram estatisticamente significativas . Apesar dessas falhas, tais técnicas podem levar a algumas melhorias futuras.

Duas cepas do fungo endofítico Pestalotiopsis microspora isoladas de caules de plantas da floresta equatoriana foram mostradas em experimentos de laboratório para digerir o plástico de poliuretano como a única fonte de carbono do fungo em condições anaeróbicas , embora muitos outros fungos não endofíticos tenham demonstrado essa capacidade , e a maioria dos isolados de fungos endofíticos neste experimento poderiam realizar isso em algum grau.

Descoberta de drogas

Os endófitos podem produzir uma ampla variedade de compostos que podem ser úteis como compostos principais na descoberta de medicamentos . Certos metabólitos secundários endófitos de fungos têm propriedades úteis; um exemplo disso é solamargine . Com o passar dos anos, tem havido uma importância cada vez maior na descoberta de produtos naturais endófitos, também denominados bioprospecção . Muitos desses novos compostos produzidos por endófitos demonstraram ter importantes aplicações médicas, como propriedades antimicrobianas , antiparasitárias , citotóxicas , neuroprotetoras , antioxidantes , miméticas de insulina e imunossupressoras . As manipulações dos endossimbiotas de uma planta podem afetar o desenvolvimento da planta, o crescimento e, por fim, a qualidade e a quantidade dos compostos colhidos da planta.

Estudos demonstraram que fungos endofíticos são capazes de produzir metabólitos secundários que inicialmente se pensava serem produzidos por plantas. A produção desses metabólitos em plantas pode ser produzida exclusivamente por endófitos ou ter sido transferida para ou a partir do genoma da planta hospedeira.

Um exemplo bem conhecido da descoberta de produtos químicos derivados de fungos endofíticos é o fungo Taxomyces andreanae isolado do teixo do pacífico Taxus brevifolia . T. andreanae produz paclitaxel , também conhecido como taxol. Este medicamento é importante para o tratamento do câncer. Desde então, foram descobertos outros endófitos que também produzem paclitaxel em outras espécies hospedeiras, mas até o momento não foi criada nenhuma fonte industrial de paclitaxel com sucesso.

Endófitos foram descobertos com várias propriedades anti-tumorais. Os fungos endofíticos produzem muitos compostos secundários, como alcalóides , triterpenos e esteróides, que demonstraram ter efeitos antitumorais. O alcalóide beauvericina foi isolado do fungo Fusarium oxysporum e apresentou citotoxicidade contra as células tumorais PC3 , PANC-1 e A549 . Três triterpenos foram encontrados no endófito Xylarialean sp., Todos os três destes compostos apresentaram efeitos citotóxicos moderados nas células tumorais.

Alguns dos compostos antimicrobianos produzidos por fungos endofíticos são interessantes por sua eficácia contra patógenos que desenvolveram resistência aos antibióticos. Vários isolados do ascomicota Pestalotiopsis sp. mostraram ter uma ampla gama de efeitos antimicrobianos, mesmo contra Staphylococcus aureus resistente à meticilina . Isolados do fungo marinho Nigrospora sp. provaram ser mais eficazes no tratamento da tuberculose multirresistente do que os tratamentos atuais.

Um fungo endofítico do gênero Pseudomassaria foi encontrado na floresta tropical da República Democrática do Congo . Esse fungo produz um metabólito que apresenta potencial como antidiabético, também conhecido como mimético da insulina. Este composto atua como a insulina e demonstrou reduzir os níveis de glicose no sangue em experimentos com modelos de camundongos.

Agricultura

Entre as muitas aplicações promissoras de micróbios endofíticos estão aquelas destinadas a aumentar o uso agrícola de endófitos para produzir safras que crescem mais rápido e são mais resistentes e mais resistentes do que as safras sem endófitos. Endófitos Epichloë estão sendo amplamente utilizados comercialmente em gramados para melhorar o desempenho do gramado e sua resistência a estresses bióticos e abióticos. Piriformospora indica é um interessante fungo endofítico da ordem Sebacinales , o fungo é capaz de colonizar raízes e formar relação simbiótica com muitas plantas.

Endófitas parecem aumentar o crescimento de seus simbiontes hospedeiros de plantas. Os endófitos também fornecem aos seus hospedeiros uma maior resiliência aos estressores abióticos e bióticos, como seca, solos pobres e herbivoria. O aumento do crescimento e capacidade de resistência é provavelmente causada pela capacidade endófitos para melhorar a nutrição das plantas ou a produção de metabolitos secundários, como no caso de Phoma eupatorii ' s inibição dos fitopatogénicos Phytophthora infestans . Os endófitos conseguem isso aumentando a absorção de nutrientes valiosos e limitados do solo, como o fósforo, e disponibilizando outros nutrientes para as plantas, como o fosfato de rocha e o nitrogênio atmosférico, que normalmente ficam presos em formas inacessíveis às plantas.

Muitos endófitos protegem as plantas da herbivoria tanto de insetos quanto de animais, produzindo metabólitos secundários que não são apetitosos ou tóxicos para o herbívoro. Cada vez mais tem havido grande importância dada aos endófitos que protegem colheitas valiosas de insetos invasores. Um exemplo de interação endófito-planta-inseto está localizado nas pastagens da Nova Zelândia, onde endófitos, conhecidos como AR1 e AR37, são utilizados para proteger o valioso azevém do gorgulho do caule argentino, mas permanecem palatáveis ​​para outra importante fonte de alimento, o gado.

Existem vários endófitos que foram descobertos que exibem propriedades inseticidas. Um desses endófitos vem do Nodulisporium sp . que foi colhido pela primeira vez da planta Bontia daphnoides . Diterpenos indólicos , conhecidos como ácidos nodulispóricos, foram colhidos desse endófito, os quais têm propriedades inseticidas eficazes contra as larvas da mosca varejeira.

Existem muitos obstáculos para a implementação bem-sucedida do uso de endófitos na agricultura. Apesar dos muitos benefícios conhecidos que os endófitos podem conferir às suas plantas hospedeiras, as práticas agrícolas convencionais continuam a ter prioridade. A agricultura atual depende fortemente de fungicidas e altos níveis de fertilizantes químicos. O uso de fungicidas tem um efeito negativo sobre os fungos endofíticos e os fertilizantes reduzem a dependência de uma planta de seu simbionte endofítico. Apesar disso, o interesse e o uso de bioinseticidas e o uso de endófitos para auxiliar no crescimento das plantas estão aumentando à medida que a agricultura orgânica e sustentável é considerada mais importante. À medida que os humanos se tornam mais conscientes dos danos que os inseticidas sintéticos causam ao meio ambiente, os insetos benéficos, como as abelhas e as borboletas, os inseticidas biológicos podem se tornar mais importantes para a indústria agrícola.

Veja também

Referências