Associações entre térmitas e microrganismos.

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(1)Documentos ISSN 1517-8498 Setembro/2008. 254. Associações entre Térmitas e Microrganismos.

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(3) ISSN 1517-8498 Setembro/2008 Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária Centro Nacional de Pesquisa em Agrobiologia Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento. Documentos 254 Associações entre Térmitas e Microrganismos. Maria Elizabeth Fernandes Correia Elen de Lima Aguiar-Menezes Adriana Maria de Aquino. Seropédica – RJ 2008.

(4) Exemplares desta publicação podem ser adquiridas na: Embrapa Agrobiologia BR 465 – km 7 Caixa Postal 74505 23851-970 – Seropédica/RJ, Brasil Telefone: (0xx21) 3441-1500 Fax: (0xx21) 2682-1230 Home page: www.cnpab.embrapa.br e-mail: sac@cnpab.embrapa.br Comitê Local de Publicações:. Eduardo F. C. Campello (Presidente) José Guilherme Marinho Guerra Maria Cristina Prata Neves Veronica Massena Reis Robert Michael Boddey Maria Elizabeth Fernandes Correia Dorimar dos Santos Felix (Bibliotecária). Expediente: Revisores e/ou ad hoc: Mariella Camardelli Uzêda e Marco Antônio de Almeida Leal Normalização Bibliográfica: Dorimar dos Santos Félix Editoração eletrônica: Marta Maria Gonçalves Bahia 1ª impressão (2008): 50 exemplares C824a Correia, Maria Elizabeth Fernandes Associação entre térmitas e microrganismos / Elen de Lima Aguiar-Menezes, Adriana Maria de Aquino. Seropédica: Embrapa Agrobiologia, 2008. 20 p. (Documentos / Embrapa Agrobiologia, ISSN 1517-8498; 254) 1. Cupim. 2. Praga de planta. 3. Microrganismo. I. Aguiar-Menezes, E. de L., colab. II. Aquino, A. M. de, colab. III. Embrapa. Centro Nacional de Pesquisa de Agrobiologia (Seropédica, RJ). IV. Título. V. Série. CDD 595.736  Embrapa 2008.

(5) Autores Maria Elizabeth Fernandes Correia Bióloga, PhD em Ciência do Solo, Pesquisadora da Embrapa Agrobiologia. BR 465, km 7 – Caixa Postal 74505, Cep 23851-970, Seropédica/RJ e-mail: ecorreia@cnpab.embrapa.br Elen de Lima Aguiar Menezes Engenheira Agrônoma, Ph.D. em Entomologia, Pesquisadora da Embrapa Agrobiologia Rodovia BR 465, km 7, Caixa Postal 74505, Cep: 23851-970 Seropédica, RJ e-mail: menezes@cnpab.embrapa.br Adriana Maria de Aquino Bióloga, PhD em Ciência do Solo, Pesquisadora da Embrapa Agrobiologia. BR 465, km 7 – Caixa Postal 74505, Cep 23851-970, Seropédica/RJ e-mail: adriana@cnpab.embrapa.br.

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(7) Apresentação As atitudes de usar com responsabilidade os recursos naturais (solo, água, ar, flora, fauna, energia), de preservar e conservar a natureza são cada vez mais necessárias para a sociedade moderna acarretando em uma busca constante por sistemas de produção agropecuários apoiados em princípios ecológicos e naturais. Dentro desse cenário, a Embrapa Agrobiologia construiu o seu atual plano diretor de pesquisa (2008-2011), desenvolvimento e inovação com a seguinte missão “gerar conhecimentos e viabilizar tecnologias e inovação apoiados nos processos agrobiológicos, em benefício de uma agricultura sustentável para a sociedade brasileira”. A série documentos nº 254 intitulada “Associações entre térmitas e microrganismos” descreve relações complexas existentes entre componentes da fauna do solo e que podem ocorrem no interior do tubo digestivo dos cupins. Algumas dessas interações produzem simbioses tripartites com o envolvimento benéfico para cupins, bactérias e protozoários. A ocorrência de bactérias fixadoras de nitrogênio no trato digestivo de térmitas facilitando a decomposição do alimento lignocelulósico dos quais estes insetos retiram nutrientes para a sobrevivência é um registro biológico recentemente descrito e que também consta nesta publicação. As informações aqui disponíveis podem estimular estudantes, técnicos e pesquisadores a aprofundarem seus conhecimentos na temática dos processos agrobiológicos em prol de um manejo sustentável dos agroecossistemas.. Eduardo Francia Carneiro Campello Chefe Geral da Embrapa Agrobiologia.

(8) SUMÁRIO Introdução................................................................................................... 7. Classificação Funcional dos térmitas ......................................................... 8. Associações com microrganismos ............................................................. 9 Protozoários ............................................................................................. Bactérias .................................................................................................. Simbioses tripartites................................................................................. Fungos ...................................................................................................... 10 10 11 12. Fixação de N em térmitas........................................................................... 14. Considerações finais .................................................................................. 16. Referências Bibliográficas .......................................................................... 16.

(9) Associações entre Térmitas e Microrganismos Maria Elizabeth Fernandes Correia Elen de Lima Aguiar-Menezes Adriana Maria de Aquino. Introdução Os térmitas ou cupins são um importante grupo de insetos terrestres e um dos mais importantes e ativos decompositores de materiais ricos em lignocelulose, especialmente em regiões tropicais (OHKUMA, 2003). Esta habilidade que é fundamental para o funcionamento do ecossistema também os torna capazes de atacar materiais de interesse econômico com elevada relação C:N, como ocorre com os cupins de madeira seca, ou os que são praga de cana-de-açúcar e eucalipto (CAMPOS et al., 1998). Esta capacidade também permite que em alguns ecossistemas degradados, e portanto com baixa disponibilidade de nutrientes e matéria orgânica, os térmitas sejam praticamente os únicos invertebrados capazes de colonizar o ambiente do solo e decompor a matéria orgânica (OUÉDRAOGO et al., 2004). Além disso, a estratégia de se alimentar de materiais ricos em lignocelulose, muito abundantes na natureza, permitiu que surgissem uma série de associações simbióticas entre térmitas e microrganismos, e entre os próprios microrganismos que utilizam o tubo digestivo dos térmitas como habitat, proporcionando vias metabólicas de processamento de carbono e fixação de N que até pouco tempo eram desconhecidas. Ainda que praticamente quase todas as espécies se alimentem de material vegetal morto, há um certo grau de especialização trófica, em que ocorre não só a seleção do substrato (madeira, serrapilheira, solo), mas também o grau de humificação da matéria orgânica (EGGLETON & TAYASU, 2001). A especialização trófica está diretamente relacionada à composição da comunidade microbiana associada aos ninhos e ao tubo digestivo dos indivíduos. Algumas tendências inclusive são características de famílias inteiras, o que demonstra uma coevolução entre os simbiontes microbianos e as espécies hospedeiras. Um bom exemplo disso é a simbiose com protozoários flagelados que só ocorre nos térmitas inferiores. Nos superiores, representados pela família Termitidae, o papel funcional 7.

(10) dos flagelados é substituído por fungos e principalmente por procariotos. Este documento tem como objetivo apresentar um pouco da complexidade das interações entre alguns grupos de térmitas e microrganismos, em particular os fixadores de N atmosférico.. Classificação funcional dos térmitas A identificação de padrões funcionais tem como finalidade avaliar quais funções ecológicas são desempenhadas por quais agentes e mensurar a magnitude desses processos. No caso dos térmitas, as classificações funcionais existentes contemplam: os tipos de atividade associadas aos ninhos, se apenas alimentar ou nidificação, ou ambas (ABE, 1987); os grupos tróficos, com base no conteúdo digestivo e na anatomia e morfologia da casta de operárias (DONOVAN et al., 2001) e uma terceira classificação que tenta reunir o modo de vida com o tipo de recurso alimentar (EGGLETON & TAYASU, 2001). Do ponto de vista dos processos de decomposição e ciclagem de nutrientes, a classificação funcional de DONOVAN et al. (2001) é satisfatória, já que contempla o tipo de recurso e o seu estado de decomposição, além do que é mais simples do que a classificação funcional de EGGLETON & TAYASU (2001). Nesta classificação são identificados quatro grupos funcionais. São eles: 1. Grupo trófico I – compreende os que se alimentam de madeira, serapilheira e gramíneas, mas não pertencem à família Termitidae (térmitas inferiores); 2. Grupo trófico II – representantes da família Termitidae (térmitas superiores) que alimentam-se de madeira, serapilheira e gramíneas; 3. Grupo trófico III – alimentam-se de madeira em avançado estado de decomposição ou de solos com elevado teor de matéria orgânica (apenas Termitidae); 4. Grupo trófico IV – são os “verdadeiros geófagos”, pois alimentam-se de solo com baixos teores de matéria orgânica. Na verdade, esta classificação também reflete um gradiente de humificação da matéria orgânica, e consequentemente um gradiente 8.

(11) de quantidade e qualidade destes recursos orgânicos. Nos recursos pouco decompostos, explorados pelos grupos tróficos I e II, há uma maior quantidade disponível, embora a relação C:N possa ser elevada, como no caso da madeira. Por outro lado, os grupos tróficos III e IV, embora estejam sujeitos a uma menor concentração do recurso, a relação C:N não é tão limitante (EGGLETON & TAYASU, 2001). A história evolutiva que permitiu a exploração eficiente destes recursos envolveu não somente a anatomia, morfologia e metabolismo das espécies de térmitas, mas também a sua distribuição geográfica, a seleção de habitats, a evolução de padrões comportamentais e, sobretudo a coevolução com diferentes tipos de microrganismos.. Associações com microrganismos As simbioses entre térmitas e microrganismos são conhecidas, ao menos parcialmente, desde de 1923, em que L. R. Cleveland demonstrou em uma série de artigos, a simbiose entre protozoários flagelados e térmitas inferiores (MOORE, 1969). Através destes trabalhos pioneiros, Cleveland observou que os simbiontes ingeriam partículas de madeira que eram fragmentadas pelo hospedeiro, convertendo a celulose à glicose e posteriormente a glicogênio. Todos os metabólitos eram produzidos em excesso para as necessidades dos protozoários, permitindo que fossem utilizados pelos térmitas (MOORE, 1969). No caso dos térmitas superiores (Família Termitidae), MOORE (1969) afirma em revisão sobre processos bioquímicos em térmitas, que apesar de se ter demonstrado que havia atividade celulolítica em espécies desta família, não era possível afirmar se as celulases eram oriundas dos térmitas ou de sua flora intestinal. Nesta época já era um fato bem conhecido a ausência de flagelados em espécies de Termitidae. Atualmente, com a ajuda de técnicas moleculares foi possível avançar bastante no conhecimento sobre as simbioses entre microrganismos e térmitas. As bactérias são extremamente diversas e abundantes no tubo digestivo dos térmitas, tanto inferiores quanto superiores. Foram observadas inclusive simbioses tripartites, ou seja, com três organismos diferentes, envolvendo térmitas, protozários flagelados e 9.

(12) bactérias aderidas aos protozoários. A seguir serão brevemente descritas algumas destas simbioses.. Protozoários A associação entre cupins e protozoários flagelados celulolíticos é um exemplo clássico e bem estudado de simbiose. A maior parte destes flagelados está restrita ao tubo digestivo dos térmitas inferiores e de baratas que se alimentam de madeira (NODA et al., 2007). Estes protistas pertencem a Classe Parabasalea (incluindo as ordens Trichomonadida e Hypermastigida) e a ordem Oxymonadida (MORIYA et al., 2001). Esta simbiose é de tal forma importante para os térmitas que uma grande porção do volume do intestino posterior (o que equivale a cerca de um terço do peso corpóreo do cupim) é colonizado por flagelados. As partículas de madeira que são fragmentadas pelo térmita são fagocitadas e degradadas pelos protozoários (BRUNE & FRIEDRICH, 2000). As operárias carregam o alimento digerido para o ninho e o regurgitam para alimentar as ninfas, soldados e reprodutivos. Este processo chamado trofolaxis é um mecanismo comportamental que também garante a inoculação dos flagelados (GRASSÉ, 1982).. Bactérias Apesar de seu pequeno tamanho, os térmitas abrigam em seu intestino uma diversidade impressionante de microrganismos. Um dos fatores que contribui para isso é o fato de que o tubo digestivo desses insetos é altamente compartimentalizado (Figura 1) com um forte gradiente de condições físico-químicas, tais como pH e oxigênio dissolvido (YANG et al., 2005). Mesmo nos térmitas que se alimentam de madeira e que não possuem uma compartimentalização tão evidente, ainda assim a diversidade associada é considerável (OHKUMA & KUDO, 1996).. 10.

(13) Figura 1. Tubo digestivo isolado do térmita australiano Mastotermes darwinensis. Barra = 5 mm. F= intestino anterior com glândulas salivares, esôfago, moela e papo; M= intestino médio; MT= Túbulos de Malpighi; H= intestino posterior; P1= segmento proctodeal seguido pela válvula entérica; P3 = pança; P4 = cólon; P5= reto (modificado de KÖNIG, 2006).. WARNECKE et al. (2007) realizaram uma análise metagenômica da comunidade bacteriana residente na porção do intestino posterior conhecida como pança do térmita xilófago Nasutitermes sp., que revelou a ocorrência de representantes de 12 filos e 216 filotipos de bactérias. Dentre estes, os 24 filotipos mais freqüentemente recuperados pertenciam ao gênero Treponema ou ao Filo Fibrobacteres. Além disso, neste mesmo estudo, doze gens homólogos nifH foram identificados, evidenciando a presença de bactérias fixadoras de N associadas a este inseto. Em outro estudo sobre a diversidade da comunidade bacteriana em quatro espécies de térmitas superiores pertencentes a vários grupos funcionais, foi observada a dominância de Firmicutes (Clostridia e Bacilli), embora a composição filogenética tenha variado entre as espécies de térmitas (THONGARAM et al., 2005).. Simbioses tripartites Uma das descobertas mais importantes e surpreendentes em estudos sobre a ecologia microbiana do tubo digestivo dos térmitas é a simbiose entre protozoários flagelados do intestino de térmitas e bactérias. É uma simbiose tripartite que envolve o térmita, o protozoário e a bactéria simbionte intracelular do protista (NODA et al., 2007). Estas bactérias descritas pela primeira vez em um trabalho de OHKUMA & KUDO (1996) representam um grupo designado “Termite 11.

(14) Group I” muito abundante no tubo digestivo de térmitas, que não tem representantes culturáveis e que tem sido proposto como candidato a um novo filo de bactérias (OHKUMA et al., 2007). Além disso, alguns estudos têm relatado também a presença de ectosimbiontes destes protistas, principalmente espiroquetas do gênero Treponema (IIDA et al., 2000; NODA et al., 2003; GRABER et al., 2004) (Figura 2). Em termos funcionais algumas dessas bactérias são capazes de realizar acetogênese a partir de CO2, o que tem um efeito benéfico para o térmita, no caso específico de Zootermopsis angusticollis, o acetato é a sua principal fonte de carbono e energia (LEADBETTER et al., 1999). Estudos ultraestruturais já tinham observado a mais de 30 anos que haviam locais preferenciais de ancoramento das espiroquetas nos protozoários (SMITH et al., 1975).. Figura 2. Detecção por hibridizaçao in situ de espiroquetas aderidas a protozoários do tubo digestivo de térmitas. A1-A4 : protozoário Dinenympha porteri asociado ao cupim Reticulitermes speratus. B1-B4: protozoário Pyrsonympha sp. em Hodotermopsis sjoestedti (modificado de NODA et al., 2003).. Fungos A primeira menção a ninhos de cupins em que foram observados cultivos de fungos, em inglês “fungus combs” ou “fungus gardens” foi feita por J.G. Köning em 1779, nos arredores da vila de Tanschaur, na Índia (GRASSÉ, 1982).. 12.

(15) Atualmente são conhecidas 330 espécies de térmitas que cultivam fungos simbioticamente em seus ninhos, distribuídas em 12 gêneros da subfamília Macrotermitinae, família Termitidae (AANEN et al., 2007). Até o momento todas as espécies conhecidas são originárias da África ou Ásia, não possuindo nenhum representante das Américas. As operárias alimentam-se de material celulósico, portanto rico em carbono, usam as fezes para construir a estrutura do ninho, que por sua vez, é colonizada por fungos basidiomicetos do gênero Termitomyces. Após algumas semanas, o fungo começa a produzir estruturas vegetativas, chamadas nódulos, que são consumidos pelos cupins (Figura 3) (AANEN et al., 2007). A biomassa do fungo é um material muito mais rico em nitrogênio do que a matéria vegetal. Desta forma, este tipo de simbiose é uma das soluções encontradas pelos térmitas para garantir um aporte de nitrogênio satisfatório. Este tipo de simbiose evoluiu duas vezes entre os insetos sociais, entre os térmitas da região Paleotropical e os Termitomyces entre 24 e 34 milhões de anos e entre formigas da região neotropical e diversos basidiomicetos a cerca de 50 milhões de anos. É interessante o fato de que não foram observadas ao longo da evolução, reversões ao tipo de vida ancestral, o que sugere que este tipo de especialização traz grandes vantagens para os organismos envolvidos (AANEN & BOOMSMA, 2006). Fósseis desses fungus combs com 7 milhões de anos foram encontrados pela primeira vez no Chade e apresentam estrutura muito semelhante à dos ninhos de térmitas atuais (DURINGER et al., 2006).. Figura 3 – Ninho do térmita Macrotermes bellicosus com nódulos de Termitomyces que contém esporos (AANEN & BOOMSMA, 2006). Foto: J. Renoux 13.

(16) Este tipo de simbiose, além de beneficiar os organismos diretamente envolvidos traz benefícios para o ecossistema. JOUQUET et al. (2005) demonstraram que o acúmulo de nutrientes nos ninhos promovia um crescimento maior das plantas em relação ao suprimento mineral dos mesmos, via adubação.. Fixação de N em térmitas Os térmitas são um dos poucos artrópodes terrestres capazes de fixar nitrogênio atmosférico em simbiose com bactérias mutualistas que vivem em seu tubo digestivo, compensando dessa forma, a baixa concentração deste nutriente no alimento lignocelulósico do qual se alimentam (YAMADA et al., 2007). Alguns trabalhos citam algumas espécies de outros insetos terrestres na qual já foi demonstrada a fixação simbiótica de N, tais como o besouro xilófago Dorcus (Macrodorcus) rectus (Família Lucanidae) (KURANOUCHI et al., 2006) e a mosca-das-frutas Ceratitis capitata (BEHAR et al., 2005). Entretanto, à luz do conhecimento atual estes parecem ser casos isolados, e não uma tendência generalizada nas famílias ou ordens. Nos térmitas, a associação com bactérias fixadoras de N parece ter se desenvolvido há muito tempo no processo evolutivo dos térmitas, já que se encontra presente nas famílias mais primitivas como Mastotermitidae, Termopsidae e Kalotermitidae. Também já foi confirmada em famílias mais derivadas dos térmitas inferiores, como Rhinotermitidade, além de subfamílias dos térmitas superiores, tais como: Macrotermitinae, Termitinae e Nasutitermitinae (YAMADA et al., 2007). OHKUMA et al. (1999) investigaram por métodos moleculares a diversidade de gens nifH, presentes no tubo digestivo de nove espécies de térmitas no Japão pertencentes a quatro famílias. De acordo com estes autores, a maior parte das sequências de nifH das seis espécies de térmitas inferiores, que apresentaram níveis significativos de fixação de nitrogênio, podem ser associadas ao grupo dos anaeróbios ou dos metanogênicos. No caso das três espécies de térmitas superiores, que apresentaram baixos níveis de fixação de N, um grande número de seqüências foi associada ao grupo filogeneticamente mais divergente. É provável que haja uma outra funcionalidade além da fixação de N para os microrganismos 14.

(17) portadores destas seqüências, e que provavelmente estes sejam derivados dos archae metanogênicos (Tabela 1). Uma prova de que o conhecimento sobre a simbiose entre térmitas e bactérias fixadoras de N ainda é incipiente é o recente isolamento do rizóbio Ensifer adherens do tubo digestivo de Nasutitermes nigriceps que demonstrou capacidade de nodular Pisum sativum, Sesbania sesban e Trigonella foenumgraecum ( FRÖHLICH et al., 2007). Em uma visão mais ecossistêmica, YAMADA et al. (2006) avaliaram a fixação de N mediada por térmitas em duas florestas tropicais na Tailândia e observaram que apesar de que a taxa de N fixado seja inferior a que ocorre em plantas e seus simbiontes, ou até mesmo que a fixação assimbiótica, esta tem um papel fundamental no processo de decomposição. Da mesma forma, os térmitas representam uma importante fonte de nutrientes, inclusive N para diversos vertebrados, ao longo das cadeias alimentares. Tabela 1- Classificação de clones do gen nifH da comunidade de microrganismos simbióticos de térmitas em grupos filogéneticos (adaptado de OHKUMA et al., 1999). ProteoAnf- Pseudo Anaeróbios Outros AFN* cyano metano nif Térmitas Inferiores Reticulitermes speratus Rhinotermitidae 1 18 0 3 0 16 Coptotermes formosans Rhinotermitidae 0 23 0 1 0 79 Neotermes koshunensis Kalotermitidae 3 5 10 4 0 210 Cryptotermes domesticus Kalotermitidae 0 8 10 4 0 33 Glyptotermes fuscus Kalotermitidae 0 12 2 6 4 31 Hodotermopsis sjoestedti Termopsidae 0 1 22 0 0 34 Térmitas Superiores Nasutitermes takasagoensis Termitidae 0 11 0 12 0 0.7 Odontotermes formosanus Termitidae 0 0 1 23 0 ND # Pericapritermes nitobei Termitidae 0 2 0 20 0 2.5 * AFN – Atividade de fixação de nitrogênio expressa em nmol de C2H4 formada/ h/g [ peso úmido]. # ND – não detectada. Espécies de Térmitas. Família. 15.

(18) Considerações finais Os térmitas representam um modelo interessante de múltiplas associações simbióticas com microrganismos e como este metabolismo conjunto pode interferir tanto nos processos evolutivos das espécies quanto nos ecossistemas. Além disso, parte da prospecção de microrganismos dessas associações tem por objetivo descobrir novas rotas metabólicas que sejam eficientes em processar carbono e sejam em futuro não muito distante usadas na produção de energia. Por fim, o estudo destas interações se revela em um grande desafio para entender a possível diversidade e complexidade existente em um habitat cujo volume é de cerca de 1µl.. Referências Bibliográficas AANEN, D. K.; BOOMSMA, J. J. Social-insect fungus farming. Current Biology, Cambridge, v. 16, n. 24, p. R1014-R1016, 2006. AANEN, D. K.; ROS, V. I. D.; LICHT, H. H. F.; MITCHELL, J.; DE BEER, Z. W.; SLIPPERS, B.; ROULAND-LEFÈVRE, C.; BOOMSMA, J. J. Patterns of interaction specificity of fungus-growing termites and Termitomyces symbionts in South Africa. BMC Evolutionary Biology, London, v. 7, n. 115, 2007. ABE, T. Evolution of life types in termites. In: KAWANO, S.; CONNELL, J. H.; HIDAKA, T. (Ed.). Evolution and coadaptation in biotic communities. Tokyo: University of Tokyo Press, 1987. p. 126148. BEHAR, A.; YUVAL, B.; JURKEVITCH, E. Enterobacteria-mediated nitrogen fixation in natural populations of the fruit fly Ceratitis capitata. Molecular Ecology, Oxon, v. 14, n. 9, p. 2637-2643, 2005. BRUNE, A.; FRIEDRICH, M. Microecology of the termite gut: structure and function on a microscale. Current Opinion in Microbiology, London, v. 3, n. 3, p. 263-269, 2000.. 16.

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(24) Agrobiologia.

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