Importância do níquel na FBN da soja

Introdução

A soja (Glycine max L.) é uma leguminosa de origem asiática e cultivada em várias partes do mundo. É uma cultura milenar e que se tornou base, direta ou indiretamente, da alimentação de bilhões de pessoas tanto no hemisfério Oriental (centro de origem) quanto no Ocidental.

A soja é uma cultura bidimensional que contem cerca de 40 a 42% de proteína de alta qualidade; entre 20 a 22% de óleo e de 20 a 30% de carboidratos. Por essas características se tornou a principal fonte de proteína para os seres humanos e animais, sendo na forma de grãos inteiros ou esmagada na forma de óleo ou farinha (Pimentel et al., 2006; Gonçalves et al., 2018; Peiretti et al., 2019; Narayanan e Fallen, 2019). A qualidade proteica da soja é análoga à da carne, produtos lácteos e ovos (Mendes et al., 2004; Lodhi et al., 2015).

De acordo com os dados da Figura 1, tanto a área semeada quanto a produtividade da cultura da soja estão em franca expansão desde a safra 1976/77. Para a safra 2019/20, área semeada foi de 36,8 milhões de ha, enquanto a produtividade média nacional foi de 3.373 kg ha-1.

Figura 1. Série histórica da área semeada e produtividade da cultura da soja no Brasil. Fonte: (CONAB, 2020)

Uma vez conhecida a relevância da cultura da soja, é fundamental o entendimento dos fatores que estão diretamente relacionados com a produtividade desta cultura. Neste contexto, sabe-se que, dentre outros fatores, o rendimento da cultura da soja é frequentemente associado a absorção total de nitrogênio (N) e, em última análise, a absorção total desse elemento é dependente da quantidade de N que é biologicamente fixada e/ou absorvida da solução do solo (Santachiara et al., 2017).

Nitrogênio e fixação biológica de nitrogênio (FBN) na cultura da soja

A elevada absorção de N é um requisito para cultivares de soja, sobretudo as de elevado rendimento (Santachiara et al., 2017). Neste sentido, relatos da literatura demonstram que são necessários aproximadamente 80 kg ha-1 de N para produzir uma tonelada de grãos de soja (Salvagiotti et al., 2008). Embora o N seja abundante na atmosfera (78%), essa enorme quantidade não está disponível para plantas, animais ou seres humanos (Coskan e Dog, 2011; Yang et al., 2019). Logo, a FBN é um processo pelo qual as plantas, associadas a microrganismos, convertem o nitrogênio atmosférico (N2) em amônia (NH3), prontamente disponível para o crescimento das plantas (Yang et al., 2017).
Todavia, em condições de alto rendimento, o N advindo do solo e da FBN podem não ser suficientes para sustentar as taxas de absorção durante o período de produção de grãos de soja, de modo que não atenderia à demanda de N necessária para atingir o rendimento máximo atingível (Salvagiotti et al., 2009). Resultados demonstram que o total de N fixado via FBN varia entre 300 e 400 kg ha-1, quantidade essa, insuficiente para suportar elevadas produtividades (Santachiara et al., 2017; Ciampitti e Salvagiotti, 2018). Situações de elevadas produtividade e/ou a baixa eficiência da FBN , poderia afetar negativamente o balanço de N e o equilíbrio do carbono (C), o que por conseguinte afetaria a saúde e sustentabilidade do solo a longo prazo (Córdova et al., 2019).
Este problema poderia ser superado com aplicações de N inorgânico no solo em cobertura ou incorporado, no entanto, a concepção de tal estratégia também deve lidar com a redução frequentemente observada na FBN quando o N inorgânico é aplicado (Salvagiotti et al., 2008). Além do mais, a quantidade de N fixado via FBN é negativamente correlacionada com absorção de N no solo, de maneira que, qualquer kg ha-1 extra de N absorvido da solução do solo pode implicar numa redução de 1,4 kg ha-1 de N derivado da FBN (Santachiara et al., 2017). Além do mais, o uso de fertilizantes nitrogenados apresenta elevado custo econômico e ambiental, o que certamente inviabilizaria o cultivo de soja.
A fixação biológica de nitrogênio talvez seja insuficiente para prover N suficiente para elevadas produtividades e ainda susceptível a fatores bióticos e abióticos, mas é consenso o papel chave da FBN para os avanços de produção e sustentabilidade do solo a longo prazo (Córdova et al., 2019).

Os fatos supracitados sugerem que há mais chances de aumentar a absorção total de N via aumento da eficiência da FBN do que por meio do incremento da absorção da solução do solo (Santachiara et al., 2017). Neste contexto, o conhecimento do processo e de técnicas que potencializem a fixação biológica de nitrogênio em sistemas agrícolas intensivos em soja é essencial para a obtenção de elevadas produtividades.
Inicialmente se faz necessário entender que não há obrigatoriedade quanto ao estabelecimento da simbiose entre os dois organismos (a cultura da soja e a bactéria fixadora de N), principalmente se o ambiente em que se encontram não apresenta limitações quanto à disponibilidade de nitrogênio (N) (Câmara, 2014) ou apresenta fatores edafoclimáticos que são limitantes ao bom desenvolvimento da bactéria. Neste contexto, o suprimento deficiente de nutrientes como molibdênio (Mo), cobalto (Co) e níquel (Ni) afetará negativamente a FBN da soja. Em função do destacado anteriormente, neste material será discutido a importância e a função do Ni na FBN da cultura da soja.

Níquel

Para facilitar o entendimento do Ni na agricultura e sobretudo na cultura da soja, este tema foi subdivido em: essencialidade do Ni, hidrogenase e urease.

Essencialidade do Níquel

O primeiro relato sobre a essencialidade do Ni para os seres vivos foi realizado em 1975, neste estudo foi demonstrado que a enzima urease apresentava dois átomos de Ni na sua composição estrutural (Dixon et al., 1975). Ainda, oito anos mais tarde, em 1983 ao estudarem a cultura da soja, em solução nutritiva, Eskew et al. (1983) verificaram necrose na extremidade dos folíolos devido ao acúmulo de ureia em concentrações tóxicas, e sugeriram que o níquel, como componente, da urease seria necessário para evitar o acúmulo de concentrações tóxicas de ureia. A essencialidade do Ni também foi sugerida por Eskew et al. (1984), estes autores afirmaram que o Ni apresenta papel fundamental em plantas superiores, e que a importância é geral devido às semelhanças nas respostas da soja e do feijão-caupi à deficiência de Ni. Depois desses estudos pioneiros, outras funções do Ni foram descobertas e estudadas e finalmente o Ni foi adicionado na lista de elementos essenciais para as plantas.
O níquel é o 28º elemento da tabela periódica. É um metal branco prateado encontrado em vários estados de oxidação (variando de -1 a +4). No entanto, o estado de oxidação divalente (Ni2+) é o mais comum em sistemas naturais (Denkhaus e Salnikow, 2002). Este elemento é essencial para plantas, animais e seres humanos (Sreekanth et al., 2013).
A concentração de Ni no solo depende do material de origem e do processo de formação (Ureta et al., 2005). Por outro lado, a disponibilidade deste elemento no solo é alterada principalmente pelo pH, que pode ser indiretamente alterado pela saturação por bases (Macedo et al., 2020). Em pH<6,5, os compostos de Ni presentes no solo são relativamente solúveis, enquanto que em pH>6,7, a maioria do Ni existe como hidróxidos insolúveis (Sreekanth et al., 2013). No Brasil, não existe determinação de níveis críticos para o Ni disponível em solos agrícolas para impulsionar a recomendação de fertilizantes. Consequentemente, não há recomendação de um extrator específico para determinar a disponibilidade de Ni no solo (Rodak et al., 2015).
O Ni afeta vários processos fisiológicos nas plantas, o que inclui atividades enzimáticas e portanto apresenta papéis vitais em uma ampla gama de funções morfológicas e fisiológicas, desde a germinação até a produtividade (Van Assche e Glijsters, 1990; Sreekanth et al., 2013).

Dentre os papéis fundamentais desempenhados pelo Ni, destaca-se a importância do Ni para a hidrogenase e urease.

Hidrogenase

Durante o processo de (FBN) subprodutos são liberados, como por exemplo o H2 (Polacco et al., 2013; Macedo et al., 2020). O H2 liberado no processo de FBN estará livre no ambiente nodular e poderá, dentre outros caminhos, competir com o N2 pela nitrogenase, uma vez que esta enzima possui sítios de ligação que podem receber N2 e H2. Logo, o H2 liberado, ao competir com o N2 pela nitrogenase, poderá diminuir a eficiência do processo de FBN
(Figura 2).

Figura 2. Diagrama esquemático que demonstra as interações entre os nutrientes e a fixação biológica de nitrogênio (FBN) em soja. As setas tracejadas no floema e xilema indicam as direções de transporte, seja de água (H2O) e nutriente (M) no xilema ou sacarose (SC), ureídeos (UR), alantoina (AL) e ácido alantóico (AAL) no floema. Ao ser absorvida pelas raízes e transportada para o nódulo, a água é hidrolisada para formação de energia na forma de H+, e juntamente com ATP oriundo da respiração da sacarose, fornecem parte do substrato para a FBN. Para produção de ATP no ciclo de Krebs (CK) é necessário a presença de oxigênio (O2), o qual é transportado dentro do nódulo pela enzima leghemoglobina (Lb2). Esta enzima é sintetizada a partir da cobalamina, que tem como constituinte o elemento cobalto (Co). Com a entrada de nitrogênio (N2) no bacteroide e na presença de ATP e H+, a enzima nitrogenase quebra a ligação tripla do N2, tendo como produto duas moléculas de amônia (NH3) e H2. Este H2 pode competir com o N2 na nitrogenase, o que pode ocasionar a inativação dessa enzima e
paralização da FBN. Contudo, por meio da enzima hidrogenase, que é composta por dois átomos de níquel, o H2 sofrerá hidrogenação cujo produto seja dois H+, que serão utilizados como fonte de energia pela nitrogenase. Cabe ressaltar que a nitrogenase é uma enzima que contém molibdênio e ferro, elementos essenciais para o seu funcionamento. Ao quebrar o N2 em 2 NH3, essas duas moléculas de amônia difundem-se para fora do bacteroide

onde são protonadas para NH4+, que é convertida enzimaticamente em glutamina (GLU) e posteriormente em ureídeos (UR), alantoina (AL) e ácido alantóico (ALA) para serem transportados dos nódulos para as folhas pelo floema. Vale ressaltar que se estima que 90% do nitrogênio oriundo da FBN seja transportado para a parte aérea na forma de ureídeos, por este motivo, neste material abordaremos apenas o metabolismo de ureídeos.

SC – Sacarose; H2O – Água; M – Nutrientes; Ni – Níquel; Co – Cobalto; Mo – Molibdênio; P – Fósforo; Fe – Ferro; N – Nitrogênio; Lb2 – Leghemoglobina; ATP – Adenosina trifosfato; CK – Ciclo de Krebs; UR – Ureídeos; AL – Alantoina; AAL – Ácido alantóico; GLU – Glutamina; NH4+ – Amônio; NH3 – Amônia.

Outro caminho possível, e talvez a melhor alternativa, é que o gás hidrogênio produzido, seja re-oxidado pela enzima hidrogenase, o que recuperará uma certa quantidade de energia usada para a redução anterior pela nitrogenase (Gonzalez-Guerrero et al., 2014). Deste modo, a hidrogenase catalisa a oxidação de hidrogênio molecular (H2) em prótons e elétrons (Brazzolotto et al., 2016). Por conseguinte, a eficiência da fixação do nitrogênio depende imediatamente da atividade da hidrogenase, uma vez que a oxidação do hidrogênio fornece energia (ATP) necessária para a redução do N na amônia. Essa reciclagem de hidrogênio tem sido associada a aumentos significativos da produtividade das plantas em certos sistemas simbióticos, como a soja (Albretch et al., 1979).
Todavia, a biossíntese da hidrogenase é um processo complexo que envolve pelo menos 15 proteínas acessórias, algumas das quais participam da inserção de um átomo de níquel essencial no local ativo da enzima (Ureta et al., 2005). Neste contexto, o Ni é fundamental para que a reciclagem do H2 ocorra (Freitas et al., 2018).
Deste modo, os baixos níveis de Ni disponível no solo afetam a atividade da hidrogenase e por conseguinte a performance da FBN (Ureta et al., 2005). Os fatos mencionados anteriormente são destacados por Seregin e Kozhevnikova (2006), de acordo com estes autores, a deficiência de Ni2+ mostrou diminuir a atividade da hidrogenase nos nódulos. Ainda, a presença de Ni pode ter favorecido a atividade da hidrogenase, recuperando mais H2, aumentando a eficiência energética do processo e, portanto, otimizando a redução de N2
e todo o processo de FBN. Assim, considera-se que existe um “feedback” positivo entre
as atividades da hidrogenase e nitrogenase, a fim de manter a FBN constante e eficiente (Lavres et al., 2016).
Logo, uma alternativa para fornecer Ni para as plantas e consequentemente melhorar o processo de FBN é por meio do tratamento de sementes (TS). Resultados positivos para o uso desta técnica já foram demonstrados por Lavres et al. (2016), segundo esses autores, a presença de Ni nas sementes estimulou o processo de FBN, provavelmente devido à maior atividade da enzima hidrogenase. Ainda, Milléo et al. (2009), observaram que o uso de Ni via TS ou via aplicação foliar na fase vegetativa contribuiu positivamente de forma análoga para
a produtividade da cultura da soja, mas o uso desse elemento em ambas as fases incrementou em mais de 4,7% a produtividade.

Urease

O principal meio de transporte de nitrogênio da soja dos nódulos para a parte aérea é na forma de ureídeos (King e Purcell, 2005) (Figura 3). Porém, quando aumenta-se a concentração de ureídeos na parte aérea das plantas, a FBN é significativamente diminuída, no fenômeno conhecido como “efeito feedback” (King e Purcell, 2005; Fagan et al., 2007). Neste contexto, uma vez nas folhas, os ureídeos podem ser convertidos em ureia, por meio da via de degradação de purinas, sendo então metabolizados pela urease (Zrenner et al., 2006). A ureia é um pequeno composto orgânico neutro, formado por duas moléculas de amônia (NH3) e uma de dióxido de carbono (CO2) (Wang et al., 2008).
Entretanto, a molécula de ureia, na sua forma original, não é passível de ser utilizada pelos organismos vivos, devendo está ser quebrada para ser utilizada. Além do mais, como discutido anteriormente o acúmulo de ureídeos e posteriormente de ureia nas plantas é algo que deve ser evitado, uma vez que, dentre outros fatores, diminuirá o processo de FBN pelo “efeito feedback”. Assim, dois tipos diferentes de enzimas são capazes de degradar a ureia: a ureia amidolase e a urease. Assim, a urease é fundamental para o aproveitamento da ureia pelos organismos vivos, sendo que, estima-se que a degradação espontânea da ureia tenha uma meia-vida de 520 anos para gerar amônia e carbamato, enquanto a meia-vida da ureia catalisada pela urease é de 20 milésimos de segundo (ms) (Callahan et al., 2005). De tal modo que a urease é uma das hidrolases mais rápidas conhecidas.

Figura 3. Diagrama esquemático que demonstra o metabolismo de ureídeos e a fotossíntese em folha de soja. Após ser transportado dos nódulos para as folhas, o níquel é utilizado para a síntese de urease, enzima responsável pela quebra do ureídeos (UR) em duas moléculas de amônia (NH3), que posteriormente serão metabolizadas para síntese de aminoácidos e demais produtos que contém nitrogênio. Contudo, a deficiência de níquel pode ocasionar o acúmulo de ureídeos nas folhas, o que consequentemente induz efeito feedback, ou seja, a produção de sinais para a nitrogenase nos nódulos reduzir a atividade, o que consequentemente reduzirá a FBN. Assim, a nutrição adequada com níquel é fundamental para que o processo de FBN e o metabolismo de ureídeos e nitrogênio na folha continue ativo. Além disso, para a atividade deste processo é fundamental
a produção de glicose (GLI) pela fotossíntese, a qual é utilizada para produção de energia (ATP) e sacarose (SC), que será transportada para as diferentes partes da planta, tal como os nódulos, onde será fonte de energia (ATP) para FBN.
SC – Sacarose; H2O – Água; M – Nutrientes; Ni – Níquel; P – Fósforo; Fe – Ferro; N – Nitrogênio; ATP – Adenosina trifosfato; GLI – Glicose; UR – Ureídeos; NH3 – Amônia; AA – aminoácidos; CO2 – Dióxido de carbono; O2 – Oxigênio.

A urease é responsável pela hidrólise da ureia em duas moléculas de amônia e uma de dióxido de carbono (Polacco et al., 2013). Nas plantas, a urease tem função na assimilação da ureia derivada de ureídeos ou arginina (Polacco e Holland, 1993).
Esta enzima é uma metaloenzima que utiliza íons de níquel em seu local ativo, o que é essencial para sua atividade (Dixon et al., 1975). Portanto, consistem em um dímero de homotrímeros em que cada local ativo possui dois íons de níquel, totalizando seis locais ativos por proteína ativa (Dixon et al., 1975; Zambelli et al., 2011). Em outras palavras, uma subunidade de urease compreende dois íons Ni2+ cruciais para o processo catalítico (Seregin
e Kozhevnikova, 2006).

O caminho da urease é, portanto, outra reação biológica na qual o Ni tem um papel importante (Freitas et al., 2018), sendo que o fornecimento deste micronutriente, como evidenciado anteriormente, é fundamental para o processo de FBN na cultura da soja.
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o micronutriente níquel.