CICLAGEM DE NITROGÊNIO DE LEGUMINOSAS EM PASTAGENS CONSORCIADAS: UMA REVISÃO SOBRE A FISIOLOGIA VEGETAL E O MANEJO

Revista Novos Desafios - v. 5, n. 2, 2025, p. 01-17 ISSN 2764-1724 DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.17631587 1 CICLAGEM DE NITROGÊNIO DE LEGUMINOSAS EM PASTAGENS CONSORCIADAS: UMA REVISÃO SOBRE A FISIOLOGIA VEGETAL E O MANEJO NITROGEN CYCLING OF LEGUMES IN INTERCROPPED PASTURES: A REVIEW OF PLANT PHYSIOLOGY AND MANAGEMENT Denise Vieira da SILVA ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9502-3242 Instituto Educacional Santa Catarina Faculdade Guaraí (IESC/FAG) E -mail: denise.s[email protected]du.br Caroliny Costa ARAÚJO ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6252-5687 Instituto Educacional Santa Catarina Faculdade Guaraí (IESC/FAG) E -mail: [email protected] Felipe de Lima ROSA ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4198-0565 Instituto Educacional Santa Catarina Faculdade Guaraí (IESC/FAG) E -mail: [email protected] Raphael Oliveira de SÁ E SILVA ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8790-7216 Instituto Educacional Santa Catarina Faculdade Guaraí (IESC/FAG) E -mail: [email protected] Rafaela Guimarães Pinto ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6546-5181 Instituto Educacional Santa Catarina Faculdade Guaraí (IESC/FAG) E -mail: [email protected] RESUMO A ciclagem de nitrogênio (N) em pastagens consorciadas é fundamental para a sustentabilidade da produção pecuária, reduzindo a dependência de fertilizantes químicos. Esta revisão de literatura teve como objetivo analisar os mecanismos fisiológicos e os fatores de manejo que regem a Fixação Biológica de Nitrogênio (FBN) por leguminosas em consórcio com gramíneas tropicais. A metodologia incluiu uma busca qualitativa e quantitativa (1990-2020) nas bases Scielo, Google Scholar e outras. A FBN, uma simbiose entre leguminosas e bactérias do tipo rizóbios, resulta na formação de nódulos radiculares onde a enzima nitrogenase converte nitrogênio atmosférico em amônia. A revisão sintetiza o processo de nodulação, a bioquímica da FBN e as principais vias de transferência de N para as gramíneas, destacando o potencial de espécies como o amendoim forrageiro na otimização da produtividade e qualidade nutricional em sistemas de pastagens mistas. Palavra-chave: Amendoim forrageiro. Fixação biológica do nitrogênio. Fotossíntese. Leguminosa forrageira. Manejo do pastejo. ABSTRATC Nitrogen (N) cycling in intercropped pastures is fundamental for the sustainability of livestock production, reducing dependence on chemical fertilizers. This literature review aimed to analyze the physiological mechanisms and management factors governing Biological Nitrogen Fixation (BNF) by legumes intercropped with tropical grasses. The methodology included qualitative and quantitative search (1990-2020) in the Scielo, Google Scholar, and other databases. BNF, a Revista Novos Desafios - v. 5, n. 2, 2025, p. 01-17 ISSN 2764-1724 DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.17631587 2 symbiosis between legumes and rhizobia-type bacteria, results in the formation of root nodules where the nitrogenase enzyme converts atmospheric nitrogen into ammonia. The review synthesizes the nodulation process, the biochemistry of BNF, and the main pathways of N transfer to grasses, highlighting the potential of species such as forage peanut in optimizing productivity and nutritional quality in mixed pasture systems. Keyword: Forage peanut. Biological nitrogen fixation. Photosynthesis. Forage legume. Grazing management. INTRODUÇÃO A fixação biológica de nitrogênio (FBN) promove uma ciclagem aprimora de nutrientes, maior produtividade e valor nutritivo da forragem, e principalmente, reduz o uso de fertilizantes químicos (DUBEUX; SOLLENBERGER, 2019). Essa fixação de N pelas plantas da família Leguminosae procede pela associação simbiótica de bactérias chamadas rizóbios e sua interação para formar nódulos nas raízes das leguminosas. Nos nódulos, os rizóbios fixam o N2 atmosférico e convertem a amônia, uma forma disponível para absorção da planta hospedeira (VIEIRA, 2017). A proporção de leguminosa na mistura da pastagem irá definir a quantidade de N fixado (DUBEUX; SOLLENBERGER, 2019). Pastagens mistas tropicais de gramíneas e leguminosas podem ser consideradas bem estabelecidas quando a proporção de leguminosas contribua com 20 a 45% na composição verde da massa de forragem, sendo essa variação suficiente para promover os requerimentos de nitrogênio que garantam a produtividade e sustentabilidade da pastagem (THOMAS, 1992).A transferência do N das leguminosas para as gramíneas ocorre por meio da exsudação e liberação de N das raízes e nódulos das leguminosas, transferência direta das raízes das leguminosas para as raízes das gramíneas através de conexões das hifas de fungos micorrizos, escoamento de N por meio da lixiviação, decomposição de serrapilheira acima do solo e/ou deposição de N das excreta dos animais, sendo essas duas últimas as vias predominantes (VENDRAMINI; DUBEUX; SILVEIRA, 2014). Muitos fatores podem influenciar a eficiência da fixação biológica do nitrogênio no sistema de pastagens, como uma associação simbiótica entre as bactérias e leguminosa, ambos estão sujeitos a restrições biológicas, predações, além de que o potencial de crescimento da leguminosa também afeta a FBN (LEDGARD; STEELE, 2013). Em pastagens de mistura de gramíneas e leguminosas, estima-se que a quantidade de N2 fixado varie de 13 a 682 kg ha-1 ano-1 N, em comparação com pastagens formadas apenas de trevo branco, com 55 a 296 kg ha-1 ano-1 N fixado (LEDGARD; STEELE, 1992). Em pastagens tropicais, a integração de leguminosas pode aumentar em 74% na produção de biomassa e 80% do N ocorre via fixação simbiótica do N2 (VILLEGAS et al., 2020). Portanto, especificando as visões gerais mencionadas acima e a fim de contribuir com o conhecimento sobre a fixação biológica do nitrogênio em sistema de pastagem, nessa revisão são relatados resumidamente a fisiologia da leguminosa e sua capacidade de fixar nitrogênio, ciclagem do nitrogênio e os benefícios da utilização do amendoim forrageiro em pastos misto com gramínea tropical, isso, relacionado com os mecanismos fisiológicos e respostas estruturais das plantas. METODOLOGIA Essa revisão de literatura teve caráter qualitativo e quantitativo sobre o tema proposto. A busca por artigos foi realizada nas bases de dados Scielo, Google Schoolar, ScienceDirect e CAPES Periódicos, utilizando os seguintes descritores: fixação biológica do nitrogênio, ciclagem de nutrientes leguminosa forrageira, gramíneas tropicais e Revista Novos Desafios - v. 5, n. 2, 2025, p. 01-17 ISSN 2764-1724 DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.17631587 3 pastagens consorciadas. Foram considerados estudos publicados entre os anos 1990 e 2020, em português e inglês. Foram incluídas referências clássicas e antigas que tratam de conceitos já bem estabelecidos de fisiologia vegetal, especificamente no que se refere a fotossíntese e fixação de nitrogênio. REVISÃO DE LITERATURA Diferenças entre gramíneas e leguminosas forrageiras A produção vegetal no pasto é resultado de uma complexa interação entre potencial genético das plantas, fatores ambientais e de manejo. Parte do potencial genético, respostas ao ambiente e manejo se devem as diferenças fisiológicas, principalmente relacionadas ao crescimento e reservas de nutrientes. Para compreender essas diferenças fisiológicas entre as espécies, primeiro é necessário compreender a evolução das plantas forrageiras das pastagens e como esse processo influenciou em mecanismos distintos de fixação de carbono entre gramíneas e leguminosas forrageiras. O ganho líquido de carbono é o principal fator correlacionado com o crescimento das plantas, e esse é defino pelo mecanismo fotossintético, distinto entre as espécies, conteúdo de nitrogênio foliar e intensidade de luz (IRVING, 2015). Existe três vias fotossintéticas entre as plantas superiores. A via denominada C3 ou ciclo de Calvin-Benson é a mais primitiva, e recebe essa denominação por ter como resultado da reação de carboxilação inicial o ácido fosfoglicérico, um ácido de três carbonos (EHLERINGER; MONSON, 1993). Mudanças climáticas do planeta impulsionaram respostas evolutivas na fisiologia das plantas em reflexo a redução do CO2 atmosférico, aumento da temperatura, e alterações na umidade e disponibilidade de água na terra (SAGE; SAGE; KOCACINAR, 2012). Em função das baixas concentrações de CO2 as plantas C3 tiveram aumentos significativos na fotorrespiração com impacto na produtividade, diante disso modificações morfológicas e bioquímicas levaram a adaptação para mecanismo fotossintético C4, e na evolução para maior eficiência no uso da água ou aumento do ganho de carbono, foi selecionado o mecanismo fotossintético CAM. Os três mecanismos foram atribuídos as plantas como uma forma de adaptação ecológica a climas quentes, C4, regiões com baixa precipitação ou déficit hídrico, CAM, e ambientes com temperaturas mais amenas, sem limitação de água e CO2, C3 (EHLERINGER; MONSON, 1993). Gramíneas forrageiras tropicais possuem em grande maioria mecanismos fotossintéticos C4, e podem ser cultivadas com uma ou mais leguminosas C3 ou outras gramíneas. Em contraste, as pastagens de clima temperado são formadas por gramíneas, leguminosas e outras plantas forrageiras C3 (LUDLOW, LARRY,HILLOCKS. 1985). A diferenças entre os mecanismos C3 e C4 acontece na fase de fixação de carbono da fotossíntese. Antecedendo essa fase, ocorre as reações químicas dependente de luz (Fase fotoquímica), na lamela dos tilacoides nos cloroplastos, com absorção de luz e transferência de elétrons através dos fotossistemas (I e II) para produção de energia, ATP e NAPH (HOHMANN-MARRIOTT; BLANKENSHIP, 2011; SAGE, SAGE; KOCACINAR, 2012). No mecanismo das plantas C3, a reação de fixação de carbono é catalisada pela ribulose 1,5-bifosfato carboxilase (RUBISCO), nessa reação a ribulose 1,5-bifosfato (RuBP) é combinada com o CO2 atmosférico para gerar duas moléculas de fosfoglicerato (3-PGA) e uma molécula de três carbonos. Na segunda etapa, o ATP e NADPH formados na etapa fotoquímica da fotossíntese, servem como energia para conversão do 3-PGA em gliceraldeído fosfato (G-3P) e dihidroxicetona fosfato. Uma parte do G-3P, então, é utilizado para regeneração da RuBP e a outra parte é utilizada para síntese de uma molécula de Revista Novos Desafios - v. 5, n. 2, 2025, p. 01-17 ISSN 2764-1724 DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.17631587 4 glicose. Essas reações ocorrem em um ciclo denominado de Ciclo de Calvin Benson ou Ciclo das Pentoses, acontece no estroma dos cloroplastos e é independente de luz (EHLERINGER; MONSON, 1993). A enzima RUBISCO tem dupla função, oxigenase e carboxilase da RuBP. Em ação de oxigenase são produzidos o ácido 3-fosfoglicperico (PGA) e fosfoglicolato (PG), sendo que o PGA pode ser regenerado para RuBP no ciclo de Calvin-Benson e o PG metabolizado para piruvato e depois para PGA no ciclo oxidativo do carbono fotossintético, fotorrespiração ou ciclo C2 (SAGE; SAGE; KOCACINAR, 2012). A enzima RUBISCO pode utilizar o O2 ou CO2 como substrato, a reação que utiliza CO2 é a primeira etapa do ciclo de Calvin, enquanto a reação que utiliza o O2 é a primeira etapa da fotorrespiração e representa uma ineficiência na fotossíntese liquida do metabolismo C3, logo esses dois ciclos são competitivos (IRVING, 2015). Apesar da enzima RUBISCO ter maior especificidade para o CO2, em condições em que as concentrações de CO2 são reduzidas através dos estômatos para as células fotossintetizantes, a fotorrespiração aumenta (EHLERINGER; MONSON, 1993). Quando a baixa assimilação de CO2 se estabelece em até um terço da energia da luz interceptada há consequentes reduções no crescimento e produção das plantas (IRVING, 2015; SIMÕES et al., 2019). O sistema fotossintético das plantas C4 representa uma via adicional ao ciclo C3, em que alterações anatômica e bioquímicas possibilitam uma maior disponibilidade de CO2 para a enzima RUBISCO, e desse modo a competição entre as reações de oxigenasse e carboxilase é reduzida (SIMÕES et al., 2019). Nesse mecanismo, o ciclo C3 é limitado a células internas da bainha do feixe, envolvida por uma camada de células mesófilas. No citosol da célula do mesofilo a enzima do fosfoenolpiruvato carboxilase (PEP) catalisa a reação fotossintética inicial em que utiliza o CO2 como substrato para produção de oxalacetato (OAA). O OAA se difunde do mesofilo através de plasmodesmas até as células da bainha do feixe vascular, onde o OAA é descarbonizado, liberando CO2, NADPH e piruvato (EHLERINGER; MONSON, 1993). A RUBISCO reafixa o CO2, no ciclo de Calvin, o piruvato se difunde de volta para a célula do mesofilo e é fosforilado para PEP e regenera o aceptor inicial de CO2 nas plantas C4 (SAGE; SAGE; KOCACINAR, 2012). As camadas de tecidos da bainha do feixe vascular e células do mesofilo conferem uma anatomia celular denominada Kranz, devido ao arranjo em forma de coroa (SAGE; SAGE; KOCACINAR, 2012). Existem outros sistemas C4 em que a rota acontece sem a compartimentalização entre células do mesofilo e da bainha do feixe vascular, ocorrendo em uma única célula. E outras plantas apresentam dois tipos de cloroplastos e as rotas acontecem em uma única célula de cada (SIMÕES et al., 2019). O CO2 dentro da bainha do feixe pode acumular até dez vezes o nível de CO2 nos espaços intercelulares, aproximadamente 0,25 a 0,30% maior que as plantas C3. As reações da RUBISCO nas plantas C4 ocorrem com uma alta relação CO2/O2, assim a fotorrespiração é praticamente toda suprida (SAGE; SAGE; KOCACINAR, 2012). Desse modo, as plantas C4 conseguem aumentar o CO2 em torno da RUBISCO com taxas de carboxilação de até o dobro das plantas C3, além de terem maior eficiência de uso de nitrogênio (N) pela menor necessidade de N para fotossíntese, CO2 fixado por unidade de nitrogênio (IRVING, 2015). Isso acontece porque a RUBISCO precisa de um investimento considerável de nitrogênio, de 25-30% do N total nas folhas de plantas C3. As plantas C4 contêm de três a seis vezes menos de enzima RUBISCO, são capazes de atingir níveis mais altos de eficiência do uso de nitrogênio. Essa condição permite a alocação de N para a produção, principalmente para a estruturas morfológicas responsáveis pela captura dos recursos que limitam o crescimento das plantas (EHLERINGER; MONSON, 1993). Revista Novos Desafios - v. 5, n. 2, 2025, p. 01-17 ISSN 2764-1724 DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.17631587 5 Outra diferença importante entre esses dois metabolismos fotossintéticos das plantas é que o ciclo C4 necessita de 2 ATPs para reduzir uma molécula de CO2, com um ATP adicional para regeneração do fosfoenolpiruvato, logo, a eficiência do uso da luz, mol de CO2 fixado por mol de fóton de absorvido, seria teoricamente menor do que em plantas C3, contudo esse baixo rendimento quântico da fotossíntese C4 ocorre somente em temperaturas abaixo de 30-25°C. Diferente em plantas C3, a fotorrespiração aumenta com a temperatura da atmosfera, e resulta em uma redução continua na eficiência do uso da luz, o contrário de plantas C4 ou CAM, em que a eficiência se mantém constante mesmo com aumentos na temperatura. Ainda, níveis atmosféricos de CO2 acima de 150-350 µL L1 CO2 a eficiência do uso da luz varia para plantas C3 devido a atividade da fotorrespiração (EHLERINGER; MONSON, 1993). Plantas C4 também possuem maior eficiência no uso da água, devido a capacidade de concentrar mais CO2. Em condições de déficit hídrico as plantas reduzem o potencial hídrico foliar e fecham os estômatos, consequentemente a assimilação de CO2 e a taxa fotossintética diminuem (SIMÕES et al., 2019). A diferença entre os mecanismos fotossintéticos das gramíneas tropicais (C4) e leguminosas (C3), levou a fundamentos equivocados quanto a persistência de leguminosas em pastagens mistas no Brasil, a ponto de ser considerado um sistema inviável (BODDEY et al., 2020). Em condições de regiões tropicais, as gramíneas tendem a ter maior capacidade competitiva sobra as leguminosas, e para atingir um equilíbrio no pasto misto o manejo deve ser cuidadosamente aplicado e as espécies compatíveis (RUSDY, 2021). Essa compatibilidade é definida como a habilidade de duas espécies em formar um pasto misto harmônico e estável (ANDRADE et al., 2012). A estabilidade diz respeito a resiliência que é a capacidade do pasto retornar ao seu estado inicial após uma perturbação, e a resistência que define a capacidade do pasto misto permanecer em equilíbrio. Uma pastagem mista harmônica foi definida em regiões temperadas como uma condição que a leguminosa no pasto represente de 30 a 50% na proporção de massa verde, sendo esse valor o ótimo para maiores rendimento e qualidade de forragem (THOMAS, 1992; THOMAS; ASAKAWA, 1993). Os fatores que irão definir a compatibilidade entre leguminosas e gramíneas se referem principalmente aos mecanismos de propagação, escape, tolerância ao pastejo e manejo do pastejo (BODDEY et al., 2020). Apesar de todos esses entraves em relação aos consórcios de plantas forrageiras C3 e C4, pesquisas recentes em condições tropicais, têm mostrado que a compatibilidade entre ambas é possível com resultados promissores quanto a produção animal em pastejo (ANDRADE et al., 2012; GOMES et al., 2020; HOMEM et al., 2019; PEREIRA et al., 2017; TAMELE et al., 2017). A inclusão de leguminosas forrageiras em pastagem pode prosperar, quando bem manejadas, em regiões do Brasil com chuvas durante todo ano ou sem longos períodos de baixa precipitação, moderadas a altas taxas de lotação, e mantendo uma altura do pasto que a luz não seja fator limitante para a leguminosa na base do dossel (BODDEY et al., 2020). Processo de formação de nódulos nas raízes da leguminosas As leguminosas estabelecem uma relação simbiótica com bactérias fixadoras de nitrogênio. Essa associação simbiótica é feita por organismos vivos como Azotobacter, zotobacter, Beijerinckia, Clostridium, Bacillus, Klebsiella, Chromatium, Rhodospirillum. Em pastagens com leguminosas forrageiras quase que 80% do N2 fixo biologicamente provem da simbiose com bactérias do tipo α-proteobactérias, ordem Rhizobiales, família Rhizobiaceae, incluindo espécies de Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Azorhizobium e Mesorhizobium (AMEDE et al., 2003). Nessa interação entre a planta e Revista Novos Desafios - v. 5, n. 2, 2025, p. 01-17 ISSN 2764-1724 DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.17631587 6 microrganismo, as bactérias convertem CO2 atmosférico em formas de nitrogênio disponíveis para assimilação pelas plantas. (FERGUSON et al., 2019). O processo de fixação biológica de nitrogênio necessita de uma série de mecanismos moleculares e condições ambientais favoráveis para que a planta consiga desenvolver e operar em nódulos radiculares, onde as bactérias reduzem o N2 em amônia (AMEDE et al., 2003). A nodulação ocorre a partir de trocas de sinais entre as raízes das plantas e microrganismos do solo, em uma interação chamada quimiotaxia bacteriana (AMEDE et al., 2003). A raízes das leguminosas liberam exsudados, em maioria flavonoides e isoflavanoides, que são quimio atraentes para as bactérias. Os flavonoides são liberados principalmente nas zonas emergentes de pelos da raiz, local mais favorável para infecção pelos rizóbios. A concentração e dos demais tipos de exsudados aumentam na presença da bactéria simbiótica compatível. Assim que esses compostos são percebidos pelos rizóbios, genes da nodulação (nod) são ativados e passam a produzir e secretar os fatores Nod lipo-quitooligossacarídicos (NFs). Os NFs são identificados por enzimas quinases na epiderme da raiz e uma cascata de sinais são desencadeados para indução do processo de infecção e divisão celular cortical. Esse complexo fenólico-proteína é dependente de fatores estruturais de ambas as moléculas de sinais (MORTIER; HOLSTERS; GOORMACHTIG, 2012). A infecção na epiderme da raiz permite a entrada das bactérias. As células rizobianas se ligam as lectinas na superfície da raiz das plantas hospedeira e a infecção é estabelecida, iniciando por um fio infectado no qual as bactérias entram e se movem nos pelos da raiz, a uma alta taxa de proliferação, em direção ao córtex da raiz. No córtex ocorre divisão celular e depois a formação de tecido nodular (HARTWIG, 1998) .Os pelos na raiz, além de detectar os NFs também respondem ao influxo de Ca2+, Cle K+. Esses íons são responsáveis pela deformação e a forma "encaracolada" dos pelos da raiz, onde as colônias bacterianas são aprisionadas (MORTIER; HOLSTERS; GOORMACHTIG, 2012). Nas células do hospedeiro, os rizóbios se transformam em bacteroides e não se dividem mais. Esses são envoltos por uma membrana denominada peribacteroide que forma uma estrutura chamada simbiossomo. Nesse estágio acontece a expressão de genes, nif e fix, responsáveis pela síntese de nitrogenase e uma oxidase, necessária para respiração aeróbia em um ambiente microaerobio (pO2 < 25nM) (HARTWIG, 1998). Após a formação dos bacteroides e síntese da nitrogenase se inicia a fixação biológica de nitrogênio. No citosol das células infectadas, a planta expressa proteínas chamadas nodulinas, como por exemplo a leghemoglobina com função de proteger a nitrogenase dos efeitos do oxigênio. (VIEIRA, 2017). O tipo de bactéria determina se os nódulos irão ser de origem do córtex radicular interno ou externo, sendo nódulos indeterminados ou determinados. A definição das zonas é bem estabelecida em nódulos indeterminados, caracterizados por um meristema distal com zonas de infecção dos rizóbios e a zona de fixação de nitrogênio. O meristema da concessão para o crescimento semipermanente do nódulo. Nas zonas de infecção do nódulo, os rizóbios invadem as células do hospedeiro (Raízes das leguminosas) e nas células colonizadas específicas ocorre a fixação de N. Na região interna de nódulos indeterminados existe as células colonizadas por rizóbios que também é zona onde ocorre a fixação biológica de N, e células menores ainda não colonizadas na região que circunda o nódulo. O local de origem das células pode ser um fator que influencia a morfologia dos nódulos (SUZAKI; YORO; KAWAGUCHI, 2015). Em leguminosas das subfamilias Mimosoideae e Papilionoideae, como ervilha, soja, ervilhaca, alfafa, M. truncatula e L. japonicus, as rotas de entradas são determinadas pelos hospedeiros e podem seguir de três formas: através dos pelos da raiz; feridas nas Revista Novos Desafios - v. 5, n. 2, 2025, p. 01-17 ISSN 2764-1724 DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.17631587 7 raízes laterais ou adventícias, e entre células epidérmicas danificadas. Existe um outro modo de entrada do rizóbios nas raízes das leguminosas que é por meio de uma rota intercelular na base lateral da raiz, chamado "crack-entry". A bactéria acessa diretamente essas células e desenvolvem um nódulo primordial, outras células infectadas se multiplicam para formar um nódulo maduro, assim o núcleo da zona infectada é separado das células não infectadas. Esse tipo de entrada é característico de aproximadamente 25% das leguminosas subtropicais, como as espécies Arachis sp., Stylosanthes sp. e Aeschynomene sp. (SHARMA et al., 2020). No processo de senescência das nodulinas os nódulos mudam da cor rosada para esverdeada, e nódulos ineficientes são de cor branca desde sua formação. Após a deterioração dos nódulos, os bacteroides transportam-se para o solo e alguns permanecem em fase latente, conseguem se proliferar utilizando os produtos da decomposição dos nódulos como nutrientes. Assim, as bactérias conseguem se manter em estado livre no solo com possibilidade de infecção em outras raízes (MORTIER; HOLSTERS; GOORMACHTIG, 2012; VIEIRA, 2017). Os microrganismos fixadores de nitrogênio são classificados como organismos de vida livre ou em diferentes graus de associação e complexidade, divididos em: fixadores não simbióticos ou de vida livre; fixadores associativos (formam relação instável com as raízes ou parte aérea das plantas); e fixadores simbióticos de N2 associados de forma organizadas com plantas superiores (VIEIRA, 2017). A regulação da nodulação é sistêmica e mediada por uma via de sinalização molecular, denominada "Autorregulação de Nodulação". Na autorregulação a planta controla o número de nódulos a partir de um ciclo de feedback negativo (FERGUSON et al., 2019). As condições ambientais regulam a formação e funcionamento dos nódulos, como a disponibilidade de nitrato ou amônio que influenciam o processo de nodulação e os sinais endógenos. O suprimento de carbono afeta a eficiência dos processos de nodulação e fixação de nitrogênio. Os fitohormônios, etileno, ácido abscísico e jasmônico atuam negativamente modificando as respostas de sinalização por NFs durante aumentos de Ca2+ (MORTIER; HOLSTERS; GOORMACHTIG, 2012). A nodulação e fixação biológica do nitrogênio não são totalmente correlacionadas. Das três subfamílias de leguminosas - Caesalpinoideae, Mimosoideae e Papilionoideae - 90% das as Papilionoideae e Mimosoideae formam nódulos, enquanto menos de 25% das Caesalpinoideae tem essa capacidade. Plantas actinorrizicas, membros de famílias diferentes das leguminosas, também conseguem estabelecer interações com bactérias fixadoras de N, como Frankia spp. actinomiceto. Algumas gramíneas, cana-de-açúcar, milho e arroz se associam com microrganismos do tipo Glucoacetobacter, Azospirillum, Herbaspirillum e Azoarcus, fixadores de nitrogênio, mas sem que haja formação de nódulos, estabelecendo uma relação associativa microrganismo-hospedeiro (HIRSCH; LUM; DOWNIE, 2001). Relação simbiótica entre microrganismo e as leguminosas forrageiras A simbiose mutualística entre rizóbios e leguminosas traz benefícios, mas não é necessária para sobrevivência de nenhum do dois. Os rizóbios são bactérias gramnegativas, respiratórios obrigatórios e podem utilizar O2 ou NO3 como aceptor de elétrons. Na forma bacteroide nos nódulos das raízes, se diferenciam em organelas fixadoras de nitrogênio, denominadas simbiossomo. As bactérias utilizam parte dos fotoassimilados da planta hospedeira para gerar a energia necessária para promover o processo de fixação de N2 e a leguminosa se beneficia do nitrogênio fixado pela bactéria para síntese das suas proteínas (HARTWIG, 1998; WANG et al., 2012). Revista Novos Desafios - v. 5, n. 2, 2025, p. 01-17 ISSN 2764-1724 DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.17631587 8 A primeira fase da simbiose rizóbios-leguminosa é iniciada pela secreção de moléculas fenólicas pela leguminosa, denominadas flavonoides que se difundem pela membrana bacteriana e ativa proteínas chamadas NoD. Essas proteínas ligam-se ao nodbox, presente nos genes de nodulação, e ocorre a indução da expressão de genes nod. No segundo estágio, genes nod codificam enzimas para síntese de fatores Nod. Fatores Nod na superfície das plantas são identificados por receptores específicos através de mudanças no potencial de membrana e despolarização de plasmalema capilar nodular. Os receptores desses sinais são células vegetais epidérmicas composta por quinases. A ativação desses receptores influencia no crescimento dos pelos das raízes que capturam as bactérias e fazem a colonização, dando origem aos nódulos (WANG et al., 2012). Os fatores Nod são indispensáveis para a nodulação na maioria das leguminosas. Os fatores Nod dos rizóbios são formados por um esqueleto de oligossacarídeo N-acetil glucosamina com uma cadeia de acil graxo na extremidade não redutora, entretanto, entre os rizóbios, essa formação difere no comprimento do esqueleto, tamanho e saturação da cadeia de acil graxo, também, modificações nas extremidades, como glicosilação e sulfatação. A conformação na extremidade do Fator Nod determina o hospedeiro específico na percepção do sinal. Ainda, o sistema imunológico da planta é formado por barreiras induzíveis contra o ataque de micróbios. Na fase inicial da percepção de sinais associado aos microrganismos/patógenos (MAMPs/PAMPs), o hospedeiro inicia a imunidade desencadeada por efetor. Na interação simbiótica rizóbios-leguminosa essas respostas de defesas são menos pronunciadas, podendo até ocorrer supressão da defesa no hospedeiro pelos fatores Nod compatíveis. Assim, os rizóbios conseguem desenvolver MAMPSs específicos para percepção apenas por hospedeiros leguminosas compatíveis para que a interação simbiótica seja permitida, o que não ocorre em não leguminosas (WANG et al., 2012). Nos nódulos, as bactérias sofrem mudanças na morfologia para forma de bacteroides. Essas alterações incluem a expressão de genes para síntese de nitrogenase e oxidase, necessário para respiração aeróbica na rizosfera, um ambiente microaerobio. Na formação de bacteroides, o composto de armazenamento de carbono bacteriano polihidroxibutirado (PHB), acumulado nas células dos rizomas, é utilizado como fonte de carbono e energia (PRELL; POOLE, 2006). Esses compostos são provenientes de reservas de armazenamento de semente, realocação e remobilização da leguminosa (SCHUBERT, 1995). A leguminosa também sintetiza leghemoglobina que confere coloração rosada aos nódulos. A leghemoglobina promove suporte ao alto fluxo e eliminação de O2 na condição microaerobio, uma vez que a nitrogenases é sensível ao O2. Para benefícios da leguminosa, o primeiro produto da fixação de N2 atmosférico (forma não assimilada pelas plantas) é a amônia, depois exportada dos bacteroides para o citosol da planta é assimilada pela via das glutaminas sintetase (GS) e glutamato sintetase (GOGAT) (HARTWIG, 1998). Para benefício dos bacteroides, a planta fornece fontes de carbono e energia na forma de ácidos C4-dicarboxilicos, malato e succinato. Esses ácidos são metabolizados pelo ciclo TCA. O malato entra no ciclo TCA e é oxidado a oxalacetato pela malato desidrogenase a oxalacetato e uma segunda molécula é descarboxilado pela enzima málica em piruvato. O piruvato é oxidado em acetil-CoA, e pode ser condensado como oxalacetato em citrato e o ciclo prossegue. O oxalacetato aceita o grupo amino do glutamato para formar aspartato, e libera α-cetoglutarato. Ambos são exportados para mitocôndrias e contribuem como redutores de N2 ou o próprio glutamato como fonte nitrogênio (HARTWIG; NÖSBERGER, 1994; PRELL; POOLE, 2006). O transporte e metabolismo de célula nodular infectada, pode então ser descrito de forma resumida: a sacarose presente no floema da célula vegetal é convertido em malato, ainda na planta, e depois importada através da Revista Novos Desafios - v. 5, n. 2, 2025, p. 01-17 ISSN 2764-1724 DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.17631587 9 membrana do simbiossomo, onde contribui para afixação de nitrogênio. O produto da fixação é exportado novamente para o xilema, e simultaneamente, a leguminosa proporciona metais e íons para a atividade do bacteroide (UDVARDI; POOLE, 2013). Processo de fixação biológica de N A fixação do nitrogênio atmosférico parte da reação química do dinitrogênio (NO2) e do oxigênio (O2), originando o oxido nítrico (NO). O ambiente rico em O2, NO é oxidado a dióxido de nitrogênio (NO2), posteriormente absorvido nos oceanos na forma de íons nitrato. A produção de N2 gasoso, presente na atmosfera, é realizado por espécies desnitrificantes, em uma sequência de quatro reações envolvendo nitrito (NO2-), óxido nítrico (NO) e óxido nitroso (N2O) como intermediários (VAN SPANNING; DELGADO; RICHARDSON, 2005). O gás N2 compõe 78% da atmosfera terrestre, porém organismos eucariotos não conseguem assimilar esses nutrientes, devido alta quantidade de energia requerida para clivagem dos dois átomos de ligação tripla. Após a quebra da molécula de N2, os átomos podem se ligar ao hidrogênio ou oxigênio para formar amônia (NH3) ou nitrato (NO3-), formas assimiladas pelas plantas (HAVELKA; BOYLE; HARDY, 1982; VIEIRA, 2017). Apenas alguns organismos procarióticos que possuem a enzima nitrogenases necessária para o rompimento da tripla ligação do N2. A nitrogenase é formada por componentes proteicos do ferro (Fe-proteína-proteína) e molibdênio ferro (MoFe-proteína) que catalisam a redução do N2 em NH3 (REES et al., 2005). Essa enzima é sensível ao oxigênio, mas alguns microrganismos possuem formas que impedem o contato do O2 com o N2, como as cianobactérias, espécies de Azotobacter e bactérias que produzem polissacarídeos que limitam a difusão de O2 para o interior das células. Ainda, a fixação de N2 é possível em estruturas nodulares formadas na associação simbiótica de bactérias rizóbios e leguminosa (HAVELKA; BOYLE; HARDY, 1982). A fixação biológica do nitrogênio (FBN) em leguminosas é o único meio natural que possui potencial para competir com o processo comercial Haber-Bosch, obtenção direta da amônia a partir do hidrogênio e nitrogênio. Enquanto os fertilizantes comerciais geram grandes quantidades de CO2, um gás do efeito estufa (GEE), a FBN reduz o impacto ambiental e possibilita a sustentabilidade agrícola (VIEIRA, 2017). Em resposta a infecção da bactéria na formação dos nódulos, a planta produz a porção globina e os nódulos possuem uma heme da proteína leghemoglobina que se liga ao oxigênio, ainda, o córtex presente nos nódulos atua como barreira de difusão do O2. Ambos são reguladores importantes da tensão do O2 no complexo da enzima nitrogenase (VAN SPANNING; DELGADO; RICHARDSON, 2005). A redução do N2 à duas moléculas de NH3 é necessário de seis prótons (H+) e seis elétrons para catalise da reação (1). A fonte desses substratos é a ferredoxina, uma proteína Fe-S ou a flavodoxina, provenientes do fotossistema I da etapa fotoquímica da fotossíntese. A ferrodoxina transfere os elétrons para o Fe-proteína e MoFe-proteína da nitrogenase. O Fe-proteína é reduzido a ferredoxina (Fe) e se liga ao magnésio ATP (Mg-ATP) e deste os elétrons são transferidos para o nitrogênio para formar NH3, depois liberado por difusão do bacteroide para o citosol da célula infectada da raiz da leguminosa. A nitrogenase pode servir como enzima redutase para uma gama de substratos como N3a NH3 + N2, CNa NH3 + CH4 e C2H2 a C2H (HAVELKA; BOYLE; HARDY, 1982). N2+8H++ 8e-+16 ATP =2 NH3+ H2+16 ADP+16 Pi (1) O hospedeiro, microssimbionte e condições ambientais determinam as taxas de fixação de N2. A variação na FBN é de 25 a 200 kg N ha-1 / ciclo de leguminosas de grãos, podendo suprir de 40 a 100% das necessidades de N das plantas (VIEIRA, 2017). Revista Novos Desafios - v. 5, n. 2, 2025, p. 01-17 ISSN 2764-1724 DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.17631587 16 SAGE, Rowan F.; SAGE, Tammy L.; KOCACINAR, Ferit. Photorespiration and the evolution of C4 photosynthesis. Annual review of plant biology, v. 63, n. 1, p. 19-47, 2012. SUZAKI, Takuya; YORO, Emiko; KAWAGUCHI, Masayoshi. Leguminous plants: inventors of root nodules to accommodate symbiotic bacteria. International review of cell and molecular biology, v. 316, p. 111-158, 2015. SHARMA, Mahaveer P. et al. Deciphering the role of trehalose in tripartite symbiosis among rhizobia, arbuscular mycorrhizal fungi, and legumes for enhancing abiotic stress tolerance in crop plants. Frontiers in microbiology, v. 11, p. 509919, 2020. SIMÕES, Vicente José Laamon Pinto et al. Assimilação de carbono em plantas forrageiras. Applied Research & Agrotechnology, v. 12, n. 1, p. 125-134, 2019. STEIN, L. Y.; KLOTZ, M. G. The nitrogen cycle. Current Biology, v. 26, n. 3, p. R94–R98, 2016. 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