Por que usar metagenômica para avaliar a microbiologia do solo?

Confira os benefícios que a técnica metagenômica oferece para o entendimento e compreensão do microbioma.

Ao longo dos últimos anos vários estudos indicam que a biodiversidade de micro-organismos presentes no planeta é muito maior do que a que conhecemos. E quando pensamos nos micro-organismos que conseguimos cultivar em laboratório, essa parcela fica muito menor.

Um dos estudos que vem ajudando a conhecer essa biodiversidade é o uso da metagenômica. Os recentes avanços no sequenciamento de alto rendimento, ajudaram a desvendar o microbioma e suas associações em diferentes ambientes.

Neste texto, falaremos da utilização da técnica de metagenômica, destacando como ela funciona, as vantagens, limitações e a aplicação em solos agrícolas.

O que é metagenômica?

A metagenômica é uma área de estudo da genética que permite a avaliação de quase todos organismos contidos em uma amostra ambiental.

As amostras ambientais podem ser de diversas origens como como solos, oceanos, sedimentos, trato gastrointestinal de animais e seres humanos, entre outros. Desta forma, o seu uso pode atender muitos objetivos e aplicações.

Os protagonistas da metagenômica são os micro-organismos (bactérias e fungos) presentes em praticamente qualquer ambiente. Essa abordagem é vital para o estudo de ecologia microbiana, pois permite que os pesquisadores investiguem a diversidade genética de comunidades microbianas inteiras em um determinado ambiente.

O sequenciamento do DNA obtido dessas amostras pode revelar informações sobre a identificação taxonômica, diversidade e função das comunidades microbianas, bem como suas interações com o ambiente.

Como funciona a metagenômica para agricultura?

A metagenômica é uma técnica que avalia o material genético de todos, ou grande parte, dos micro-organismos do ambiente analisado.

No caso da agricultura, o mais comum e indicado é a avaliação do solo, onde podemos coletar em ambientes sem a cultura, ou próximo a região de rizosfera para avaliar a interação direta da microbiota com a cultura.

Esse processo pode ser divido em três etapas:

  1. Coleta da amostra de solo
  2. Extração do DNA total e sequenciamento
  3. Interpretação dos dados por bioinformática

O processo inicia com a coleta da amostra de solo, que é encaminhada para o laboratório onde se realiza a extração do DNA.

O DNA extraído pode ser direcionado para duas estratégias particulares de sequenciamento, a primeira chamada de shotgun e a segunda de amplicom.

Shotgun

No sequenciamento shotgun, o DNA é extraído e passa por um processo de fragmentação e amplificação não-direcionada, o que significa que todo o DNA presente na amostra deve ser sequenciado.

Os dados obtidos são então analisados para identificar todos genes presentes na comunidade microbiana o que leva a uma análise mais sofisticada das funções metabólicas.  

Por outro lado, a técnica shotgun precisa de uma grande quantidade de dados para ter a qualidade mínima na utilização da informação, o que impacta diretamente nos custos de sequenciamento, tornando bem mais caro que o amplicon.

Amplicon

O sequenciamento do gene amplicon tem sido a principal técnica para estudar a filogenia e a taxonomia de microbiomas complexos.

Para esta técnica o DNA total da amostra é extraído e após isso, são sequenciados apenas marcadores filogenéticos específicos para determinado grupo, como por exemplo o 16S para bactérias, e o gene ITS para fungos.

Os dados obtidos deste sequenciamento também são comparados com bancos de dados para obter uma lista de táxons presentes na amostra. Com esta lista é possível utilizar algoritmos de predição funcional para determinar as funções presentes na comunidade.

A maioria dos algoritmos disponíveis hoje são voltados para microbioma humano, e seus resultados no solo apresentam muita inconsistência. Deste modo, a B4A criou um algoritmo próprio treinado e especializado em solos, trazendo mais segurança aos dados gerados.

Quais os benefícios?

A metagenômica oferece muitos benefícios e vantagens em comparação com outras abordagens de estudos de microbiologia. Antes do uso da metagenômica, as técnicas empregadas para caracterizar micro-organismos dependiam do cultivo dos mesmos em laboratório. As técnicas de cultivo apresentam diversas desvantagens: demandam muito tempo, são laboriosas, não contemplam micro-organismos que não são possíveis de serem cultivados em laboratório e a identificação não se baseia em evidências moleculares, mas sim morfológicas e bioquímicas, que pode levar a uma identificação incorreta.

Figura 1. Esquema apresentando um comparativo entre o método de identificação baseada em técnicas de cultivo e metagenômica.

Quando comparamos a metagenômica com outras técnicas moleculares que avaliam organismos específicos, podemos destacar a grande vantagem dela ser capaz de avaliar a ecologia microbiana. Isso possibilita avaliar qual o impacto que a entrada de alguns produtos e manejos podem ter sobre a microbiota do solo.

Desta forma, podemos destacar as seguintes vantagens do uso da metagenômica:

  1. Avalia todos micro-organismos presentes na amostra
  2. Identifica micro-organismos não cultiváveis
  3. Permite estudos de ecologia microbiana
  4. Apresenta uma visão abrangente das relações entre os micro-organismos e planta
  5. Avalia o impacto de produtos sobre a microbiota do solo
  6. Possibilita a identificação de benefícios secundários de produtos
  7. Destaca os micro-organismos que foram recrutados com a entrada de produtos e manejos
  8. Possibilita a correlação com dados físico-químico de solo e da nutrição vegetal com a microbiota do solo

Quais as limitações?

Assim como toda técnica a metagenômica oferece muitas vantagens, mas também apresenta algumas limitações que precisam ser consideradas, sendo elas:

  • Dificuldade na identificação de micro-organismos: A metagenômica pode revelar muitos micro-organismos diferentes, mas nem sempre é possível identificar as espécies presentes com precisão.
  • Presença de DNA inativo: A metagenômica pode identificar o DNA de micro-organismos inativos ou mortos, o que pode levar a uma superestimação da diversidade microbiana em um determinado ambiente.
  • Custos mais elevados: É uma técnica de sequenciamento genético que requer equipamentos e reagentes especializados, o que pode tornar os custos de análise mais elevados que as convencionais.

No entanto, com o avanço contínuo da tecnologia de sequenciamento e análise de dados, algumas destas limitações serão superadas no futuro, tornando a metagenômica uma ferramenta ainda mais valiosa para a investigação de comunidades microbianas em solos agrícolas.

Como aplicar na agricultura?

A metagenômica é uma técnica avançada de sequenciamento genético que é amplamente utilizada em pesquisas científicas. Até pouco tempo era uma técnica restrita a centros de pesquisa e universidades, devido o seu custo e grande dificuldade na interpretação de dados complexos.

Hoje esta técnica é acessível aos produtores, engenheiros agrônomos através dos serviços da B4A. Além disso, a técnica está disponível para a indústria de bioinsumos no acesso a informações sobre o impacto de seus produtos na microbiota através do serviço B4PROOF. Para mostrar a relevância do uso da metagenômica para a avaliação de solos, apresentamos na figura abaixo a composição taxonômica de micro-organismos para 150 amostras de solo coletadas em região de rizosfera da soja. Podemos ver os 10 gêneros mais ocorrentes apresentados, quatro deles não crescem nas condições comuns de laboratório, a citar Gaiella, Luteitalea, Chthoniobacter e Koribacter.

Figura 2. Composição taxonômica dos 10 gêneros mais ocorrentes de bactérias para 150 amostras de solo coletadas na região de rizosfera da soja. Fonte: B4A.

Apenas o uso da metagenômica pode proporcionar esse tipo de informação. E a cada dia mais que a técnica avança vamos descobrindo o potencial das funções metabólicas desses organismos não cultiváveis. Como por exemplo, várias espécies do gênero Koribacter são capazes de auxiliar nos processos de fixação de carbono e na formação de húmus no solo.

Para saber mais detalhes de como as nossas tecnologias podem ajudar as necessidades do seu solo, entre em contato com a nossa equipe!

Autoria: Estácio Odisi, Marcos Cabral, da B4A.

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