Simbiose de bactérias fixadoras de nitrogênio com feijoeiro-comum em diferentes valores de pH

Symbiosis of nitrogen fixing bacteria with common bean in different pH values

MICROBIOLOGIA

Márcia Rufini^I; Paulo Ademar Avelar Ferreira^I; Bruno Lima Soares^I; Dâmiany Pádua Oliveira^II; Messias José Bastos de Andrade^II; Fatima Maria de Souza Moreira^I

^IUniversidade Federal de Lavras (Ufla), Departamento de Ciência do Solo, Caixa Postal 3037, CEP 37200-000 Lavras, MG. E-mail: [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail]

^IIUfla, Departamento de Agricultura. E-mail: damy_agro84@hotmail. com, [e-mail]

RESUMO

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do pH do meio de cultivo na eficiência simbiótica de estirpes de Rhizobium, em solo com e sem calagem. Foram realizados experimentos em casa de vegetação, com e sem calagem, e no campo, apenas com calagem. O delineamento experimental utilizado foi de blocos ao acaso com quatro repetições, e os tratamentos foram cinco estirpes de Rhizobium (UFLA 02-100, UFLA 02-68, UFLA 04-195, UFLA 04-202 e CIAT 899), cultivadas em meio de cultura 79 com diferentes valores de pH (5,0, 6,0 e 6,9), e testemunhas sem inoculação, com ou sem nitrogênio mineral. Foram avaliados número e massa de matéria seca de nódulos, massa de matéria seca da parte aérea, eficiência relativa, teor e acúmulo de nitrogênio na parte aérea e nos grãos, número de vagens por planta, número de grãos por vagem e rendimento e massa de 100 grãos. O valor de pH ideal para o meio de cultivo variou com as estirpes e com a variável analisada. Os tratamentos que receberam calagem foram superiores aos demais. No campo, independentemente do pH do inoculante, as populações nativas do solo e as estirpes introduzidas promoveram rendimento de grãos semelhante ao da testemunha com 70 kg ha^-1 de N e ao da estirpe referência CIAT 899.

Termos para indexação:Phaseolus vulgaris, Rhizobium, acidez, fixação biológica de nitrogênio, inoculante.

ABSTRACT

The objective of this study was to evaluate the effect of the culture medium pH in the symbiotic effectiveness of Rhizobium strains in soil, with and without liming. Assays were performed in greenhouse, with and without liming, and in the field, with liming. The experimental design was randomized blocks with four replicates, and treatments were five strains (UFLA 02-100, UFLA 02-68, UFLA 04-195, UFLA 04-202 and CIAT 899), grown in a 79 culture medium with different pH values (5.0, 6.0 and 6.9), and two controls without inoculation: with or without mineral nitrogen. Variables analyzed were number and weight of dry nodules, shoot dry matter, relative efficiency, nitrogen content and accumulation in shoots and grains, number of pods per plant, number of grains per pod, and yield and weight of 100 grains. The optimum pH value for the culture medium varied with the strains and the variable analyzed. Treatments with liming were superior to the others. In the field, regardless of the inoculant pH, the native soil populations and the introduced strains promoted grain yields similar to those of the control with 70 kg ha^-1 of N and to those of the reference strain CIAT 899.

Index terms:Phaseolus vulgaris, Rhizobium, acidity, biological nitrogen fixation, inoculant.

Introdução

O feijoeiro-comum (Phaseolus vulgaris L.) é a principal fonte de proteína na dieta da maioria da população brasileira. O nutriente absorvido em maior quantidade pelo feijoeiro-comum é o nitrogênio, que apresenta alto custo e é facilmente perdido por volatilização ou lixiviação (Cantarella, 2007). Por isso, o suprimento adequado desse nutriente para a cultura é fundamental, principalmente no período de maior absorção, que ocorre dos 35 aos 50 dias após a emergência da planta (Rosolem & Marubayashi, 1994).

Parte das exigências do feijoeiro-comum em relação ao nitrogênio pode ser suprida pelo processo de fixação biológica, por meio da simbiose estabelecida com bactérias fixadoras de nitrogênio nodulíferas (BFNN). Há, no entanto, descrédito quanto à capacidade dessa leguminosa de fixar N₂ suficiente para alcançar produtividades elevadas, por causa de diversos fatores bióticos e abióticos que afetam as BFNN e a planta hospedeira e, consequentemente, influenciam o estabelecimento e a eficiência da simbiose. A competição com populações de BFNN nativas pouco eficientes e estabelecidas no solo, a baixa adaptação às condições ambientais, como temperatura e acidez, e o ciclo curto do feijoeiro-comum geralmente limitam a taxa de fixação (Moreira & Siqueira, 2006). Em razão desses fatores e da promiscuidade da nodulação observada no feijoeiro-comum, é necessário tomar certos cuidados para se obter um resultado satisfatório com a inoculação. O uso de um elevado número de células viáveis da estirpe eficiente, selecionada e adaptada às condições do ambiente, pode garantir vantagem competitiva pelos sítios de infecção em relação às BFNN nativas (Moreira & Siqueira, 2006).

O pH do solo constitui um dos principais fatores limitantes à simbiose BFNN-leguminosas, quanto à multiplicação e à sobrevivência das BFNN e à nodulação e à fixação de nitrogênio (Hungria & Vargas, 2000; Raza et al., 2001). Algumas espécies de BFNN podem tolerar melhor a acidez do que outras, e essa tolerância pode variar entre estirpes de uma mesma espécie (Hungria et al., 1997). As BFNN crescem em uma faixa de pH ideal entre 6,0 e 7,0, e poucas crescem bem em pH menor que 5,0 (Graham et al., 1994; Rodrigues et al., 2006; Ali et al., 2009).

Para maximizar a contribuição da fixação biológica de nitrogênio (FBN) ao feijoeiro-comum em solos ácidos, é necessário que as estirpes de BFNN utilizadas nos inoculantes sejam adaptadas à essa condição, competitivas e eficientes no processo de infecção. Estirpes de crescimento rápido geralmente são menos tolerantes à acidez do que as de crescimento lento (Graham et al., 1994; Moreira & Siqueira, 2006). Algumas estirpes de crescimento rápido do gênero Rhizobium toleram pH mais ácido, como a Rhizobium loti (atualmente Mesorhizobium loti), a Rhizobium meliloti e Rhizobium tropici (Graham et al., 1994). A origem das estirpes e sua tolerância à acidez também parecem ter boa correlação, ou seja, estirpes isoladas de solos ácidos mostram-se mais adaptadas a essas condições do que as isoladas de solos com pH mais elevado (Moreira, 1994). De acordo com Dilworth et al. (1999), esse fato pode ser explicado pelo fenômeno denominado "acid habituation".

O fato de os inoculantes serem produzidos com o pH próximo à neutralidade pode limitar a adaptação das estirpes às condições de acidez dos solos tropicais e, consequentemente, a simbiose efetiva. Dessa forma, a submissão de estirpes de Rhizobium a condições de estresse, durante a produção do inoculante, pode aumentar sua sobrevivência e eficiência simbiótica em campo.

O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do pH do meio de cultivo na eficiência simbiótica de estirpes de Rhizobium, em solo com e sem calagem.

Material e Métodos

Foram realizados três experimentos no laboratório de Microbiologia do Solo da Universidade Federal de Lavras (Ufla), em casa de vegetação e no campo experimental, no período de outubro de 2009 a maio de 2010.

O solo do campo experimental foi classificado como um Latossolo Vermelho distrófico, com baixo pH e baixa fertilidade, cultivado com cana-de-açúcar há alguns anos, sem relato de cultivo de leguminosas e de inoculação na área. As características químicas do solo indicaram: pH em água, 5,1; P (Mehlich I), 4,0 mg dm^-3; K, 80 mg dm^-3; Ca, 1,2 cmol_c dm^-3; Mg, 0,3 cmol_c dm^-3; Al, 0,4 cmol_c dm^-3; H+Al, 6,3 cmol_c dm^-3; soma de bases, 1,7 cmol_c dm^-3; T, 8,0 cmol_c dm^-3; V, 21,3%; e matéria orgânica, 2,7 dag kg^-1.

Para os experimentos em casa de vegetação e campo, foram selecionadas quatro estirpes da coleção de BFNN do Laboratório de Microbiologia do Solo da Ufla, eficientes em estabelecer simbiose com o feijoeiro-comum. As estirpes testadas foram: UFLA 04-195 (Rhizobium etli), UFLA 04-202 (R. etli), UFLA 02-100 (R. etli) e UFLA 02-68 (R. etli bv. mimosae). Duas destas estirpes, UFLA 04-195 e UFLA 04-202, foram isoladas de nódulos do siratro [Macroptilium atropurpureum (DC.) Urb.], utilizada como planta-isca. Plantas de siratro foram inoculadas com suspensões obtidas a partir de amostras de solos ácidos da Amazônia Ocidental, em trabalho realizado por Lima et al. (2009). Essas duas estirpes crescem melhor quando cultivadas em meio de cultura 79 líquido, com pH 5,0 (Ferreira, 2008b). As estirpes UFLA 02-100 e UFLA 02-68 foram isoladas por Pereira et al. (2000) de nódulos de feijoeiro-comum, no Município de Theobroma, RO. A estirpe UFLA 02-100 cresce melhor em meio de cultura 79 líquido com pH 6,0 e a UFLA 02-68 não mostra crescimento diferenciado nas três condições de pH (5,0, 6,0 e 6,9). As quatro estirpes foram comparadas à estirpe controle de R. tropici, CIAT 899, recomendada como inoculante para a cultura do feijoeiro-comum pelo Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, e que apresenta melhor crescimento em pH 5,0, em meio de cultura 79 líquido (Ferreira, 2008b). As estirpes avaliadas são bastante eficientes em contribuir para o melhor crescimento do feijoeiro-comum pela FBN (Soares et al., 2006; Ferreira, 2008b; Ferreira et al., 2009).

No primeiro experimento, avaliou-se a eficiência das estirpes crescidas em meio de cultivo com diferentes condições de pH e inoculadas em plantas de feijoeiro-comum em vaso, com capacidade de 1,8 dm³, contendo solo do campo experimental com e sem calagem.

O solo foi coletado na camada arável (0-20 cm), destorroado, homogeneizado e passado em peneira de 4 mm. O cálculo da dose de calcário foi realizado segundo o método de saturação por bases, de modo a elevar a saturação para 60%, nos tratamentos com calagem. Em todas as parcelas, foi efetuada uma adubação com 300, 300, 40, 0,8, 1,5, 3,6, 5,0 e 0,15 mg dm^-3 de K, P, S, B, Cu, Mn, Zn e Mo, respectivamente (Malavolta et al., 1989). Utilizou-se o delineamento experimental de blocos ao acaso, com quatro repetições e arranjo fatorial 5x3x2 + 4, com cinco estirpes, três valores de pH do meio de cultura 79 líquido (5,0, 6,0 e 6,9), dois níveis de calagem (com e sem), e quatro tratamentos adicionais: testemunhas sem inoculação, com ou sem N mineral, na presença ou ausência de calagem. O nitrogênio mineral correspondeu a 300 mg dm^-3, com NH₄NO₃ como fonte, parcelados em três aplicações.

Foi utilizada a cultivar de feijoeiro-comum BRSMG Majestoso (Abreu et al., 2007). As sementes foram desinfestadas superficialmente e colocadas para germinar em condições estéreis. Foram utilizadas quatro sementes pré-germinadas por vaso e, em cada uma, foi inoculado 1 mL do inóculo cultivado no meio 79 de cultura líquido. Após a emergência, foi feito o desbaste e foram deixadas duas plântulas por vaso. As plantas foram colhidas no período da floração, para avaliar: número de nódulos (NN), massa de matéria seca de nódulos (MSN) e da parte área (MSPA), eficiência relativa (ER), teor de nitrogênio na parte aérea (TNPA) e acúmulo de nitrogênio na parte aérea (ANPA). A ER foi calculada em relação à produção de MSPA das plantas do tratamento que receberam N mineral (TCN), por meio da expressão: ER = (MSPA tratamento×100)/MSPA da TCN. Para o cálculo da ER, os tratamentos que receberam calagem foram comparados à testemunha que recebeu N mineral e calagem; já os tratamentos sem calagem foram comparados à testemunha que recebeu N mineral sem calagem.

O segundo experimento foi conduzido no campo, na área experimental, na safra da seca, com uso do nível tecnológico 2 (NT2), que não inclui irrigação, preconizado pela 5ª Aproximação das Recomendações para o Uso de Corretivos e Fertilizantes no Estado de Minas Gerais (Ribeiro et al., 1999). Foi utilizada a cultivar BRSMG Majestoso de grão tipo carioca. Utilizou-se o delineamento experimental de blocos ao acaso com quatro repetições e arranjo fatorial 5x3 + 2, com as cinco estirpes, três valores de pH (5,0, 6,0 e 6,9) do meio de cultura 79 líquido, e dois tratamentos adicionais: testemunhas sem inoculação, com ou sem N mineral. Todos os tratamentos receberam calagem.

Os métodos descritos em Ferreira et al. (2009) foram utilizados para preparo do inoculante, inoculação das sementes, preparo e adubação do solo; plantio e coleta das plantas para as avaliações de número de nódulos, massa de matéria seca de nódulos e parte aérea, teor de nitrogênio; e para cálculos da determinação do acúmulo de nitrogênio na parte aérea e nos grãos, e da eficiência relativa. Foram analisados número de vagens por planta, número de grãos por vagem, massa de 100 grãos e rendimento de grãos com umidade corrigida para 13%.

As parcelas foram constituídas por seis linhas de 4 m de comprimento, espaçadas em 0,50 m, o que totalizou 12 m² de área total e 4 m² de área útil, com duas linhas destinadas à colheita dos grãos. Nos experimentos de casa de vegetação e campo, o teor de nitrogênio total foi avaliado pelo método semi-microkjedahl, de acordo com Sarruge & Haag (1979).

No terceiro experimento, conduzido em laboratório, foi avaliada a densidade das populações nativas do solo do campo experimental a partir do número mais provável (NMP), na camada de 0-20 cm do solo. Foram utilizados vidros escuros de 500 mL, tipo "big neck", que continham solução nutritiva de Hoagland & Arnon (1950), com 5,25 mg L^-1 de N na forma de NH₄NO₃ e KNO₃. As sementes de feijoeiro-comum, cultivar BRSMG Majestoso, foram inoculadas com 1 mL de suspensão de solo das diluições seriadas 10^-1 a 10^-6. Foi incluído um controle positivo (inoculação da estirpe eficiente CIAT 899), além de dois controles negativos sem inoculação: um com adição de N mineral e outro sem N mineral.

Os dados foram submetidos à análise de variância, por meio do SISVAR, versão 4.0 (Ferreira, 2008a). As médias dos tratamentos foram agrupadas pelo teste de Scott-Knott, a 5% de probabilidade. Nos três experimentos, os valores das variáveis número de nódulos (NN) e massa de matéria seca de nódulos (MSN) foram previamente transformados pela fórmula (x + 0,5)^0,5.

Resultados e Discussão

No experimento em casa de vegetação, nenhuma das variáveis analisadas foi afetada pelo pH do meio de cultivo das estirpes, e apenas o NN e TNPA apresentaram diferenças entre as estirpes estudadas. As estirpes CIAT 899, UFLA 04-195, UFLA 04-202 e UFLA 02-100 apresentaram NN superior ao da estirpe UFLA 02-68 (Tabela 1). A estirpe CIAT 899 apresentou menor TNPA em relação às outras estirpes. Não houve diferenças significativas nos demais parâmetros (MSN, MSPA, ER e ANPA). Para todos os parâmetros analisados, excetuando-se a ER, os tratamentos com calagem superaram os sem calagem, o que corrobora resultados obtidos por Campanharo et al. (2010). O fato de os tratamentos sem calagem terem se desenvolvido menos não significa falta de adaptação da estirpe à acidez do solo, já que a própria sensibilidade das plantas à acidez pode ter influenciado esse resultado. De acordo com Moreira & Siqueira (2006), o hospedeiro pode ser mais afetado pela acidez do solo do que a bactéria.

O desdobramento da interação tripla não foi significativo para NN e MSN. Para a característica MSPA (Tabela 2), houve significância apenas quanto às estirpes UFLA 02-100 e UFLA 02-68. A estirpe UFLA 02-100 se destacou no solo com calagem quando cultivada em pH 5,0 e 6,0; já a estirpe UFLA 02-68 apresentou melhor desempenho no solo com calagem, ao ser cultivada em pH 6,0 e 6,9. Quanto ao solo sem calagem, o pH de cultivo não afetou nenhuma das estirpes. As estirpes cultivadas em pH mais elevado, 6,9, ao serem inoculadas em solo ácido, apresentaram a mesma eficiência, para esta característica, que as estirpes cultivadas em pH ácido, 5,0, o que descarta a ocorrência de "acid habituation". Isso pode ser explicado pela facilidade de alteração do pH do meio pelas estirpes, em razão do baixo poder tampão do meio de cultivo e da alta concentração de células utilizadas (Barberi et al., 2004). Em campo, o poder tampão é maior e o número de células, menor.

No desdobramento da interação tripla para TNPA, houve significância apenas quanto à estirpe UFLA 04-195, que proporcionou maior TNPA quando cultivada nos valores de pH 5,0 e 6,0, no solo com calagem e sem calagem (Tabela 2). Em relação ao parâmetro ANPA, a interação tripla foi significativa nas estirpes CIAT 899, UFLA 02-100 e UFLA 04-195. Em solo com calagem, a estirpe CIAT 899 possibilitou maior ANPA ao ser cultivada em pH 5,0 ou 6,0, e a estirpe UFLA 02-100 em pH 5,0. Em solo sem calagem, a estirpe UFLA 04-195 foi menos eficaz no pH 5,0. De acordo com Ferreira (2008b), esta é a condição de pH do meio de cultura 79 em que esta estirpe apresenta melhor crescimento.

O desdobramento da interação tripla sobre a ER mostrou que, na presença de calagem, não houve diferenças entre os valores de pH de cultivo, para nenhuma das estirpes (Tabela 2). Sem calagem, as estirpes CIAT 899 e UFLA 04-202, cultivadas em pH 5,0 ou 6,0, possibilitaram maior eficiência relativa no feijoeiro-comum, enquanto a estirpe UFLA 04-195 se destacou quando cultivada em pH 6,0 ou 6,9.

Os contrastes com inoculação e os com N mineral, com e sem calagem, foram significativos para todas as variáveis analisadas. Na Tabela 3, verifica-se que, tanto no solo com calagem como no sem calagem, os tratamentos com inoculação apresentaram maior NN e MSN que as testemunhas que receberam N mineral. Quanto às outras variáveis analisadas, as testemunhas que receberam N mineral superaram os tratamentos com inoculação. Nas testemunhas sem N mineral, as variáveis analisadas não diferiram dos tratamentos com inoculação, o que mostra a capacidade das populações nativas de BFNN em nodular e promover o crescimento vegetal no feijoeiro-comum.

No experimento no campo, não houve efeito significativo de estirpes nem do pH de cultivo nas características NN, MSN, MSPA, ER, TNPA e ANPA. A interação pH e estirpe, no entanto, foi significativa: a estirpe UFLA 02-68 apresentou maior NN, MSPA, ER e ANPA quando o cultivo no inoculante foi realizado em pH 5,0 e 6,0 (Tabela 4). A MSN foi maior quando a estirpe foi cultivada em pH 6,0, e o TNPA foi maior com o cultivo em pH 5,0 ou 6,9. Para a estirpe CIAT 899, houve apenas significância quanto ao parâmetro TNPA, com maiores valores em pH 5,0 e 6,0. Para as demais estirpes, não houve diferenças significativas dos parâmetros avaliados entre os valores de pH do meio.

Em relação aos parâmetros de produtividade avaliados e ao teor e ao acúmulo de N nos grãos, não houve diferença significativa entre estirpes, nem entre as diferentes condições de cultivo das estirpes. Não houve diferença significativa quanto à interação entre esses dois parâmetros, exceto no caso da massa de 100 grãos (Tabela 4), em que a estirpe UFLA 02-100 proporcionou maior valor quando cultivada no pH 6,0 e as outras estirpes não diferiram.

O contraste dos tratamentos com inoculação e com N mineral, com exceção dos parâmetros TNPA e massa de 100 grãos, não mostrou diferenças significativas entre os tratamentos com inoculação e a testemunha que recebeu N mineral (CN). O TNPA e a massa de 100 grãos foram superiores na testemunha que recebeu N mineral (Tabela 5). Entre os tratamentos com inoculação e a testemunha sem N mineral (SN), também não houve diferença. Todos os tratamentos apresentaram teores de nitrogênio na parte aérea acima do nível crítico que, segundo Ambrosano et al. (1996), é de 3% no período do florescimento. Isso indica que as estirpes usadas e as populações nativas foram eficientes para atender parte da demanda da planta por nitrogênio durante o seu ciclo, e mostra a importância da fixação biológica de nitrogênio para a cultura do feijoeiro-comum. As estirpes selecionadas e a estirpe CIAT 899 proporcionaram rendimento de grãos que não diferiram significativamente da testemunha com N na dose total de 70 kg ha^-1 e da que não recebeu N mineral.

A falta de resposta à inoculação para os diferentes tratamentos pode estar relacionada às condições climáticas no período do experimento. O principal fator que pode ter afetado a planta, a BFNN e, consequentemente, a simbiose foi a precipitação pluvial. A média de precipitação no período do experimento foi de apenas 180 mm, muito baixa em relação ao ideal para a cultura do feijoeiro-comum, que se situa entre 300 e 400 mm (Andrade et al., 2008). Durante a formação de vagens e enchimento dos grãos, fases mais críticas para o feijoeiro-comum em relação à deficiência hídrica, choveu apenas 12 mm. A falta de chuva pode ter afetado também a disponibilidade do N mineral aplicado nas parcelas que receberam este fertilizante, e pode ter contribuído para seu pequeno desenvolvimento, já que não se destacaram em comparação aos outros tratamentos. Vargas et al. (1991) avaliaram a capacidade nodulante de genótipos de feijão e não obtiveram diferenças significativas entre os tratamentos com e sem N mineral e os tratamentos com inoculação, os quais também foram afetados por uma estiagem prolongada. Apesar da falta de chuva, o rendimento médio de grãos do experimento (Tabela 5) foi muito superior à média nacional, que, na última safra da seca, foi de 728 kg ha^-1 (Companhia Nacional de Abastecimento, 2010).

Em relação à estirpe UFLA 02-100, os resultados deste estudo se assemelham aos obtidos por Soares et al. (2006) em Perdões, MG, pois a produtividade obtida foi semelhante à da estirpe referência CIAT 899 e à da testemunha que recebeu N mineral. A estirpe UFLA 02-68 não se mostrou tão eficiente no trabalho de Soares et al. (2006), ao se igualar aos outros tratamentos. Os autores obtiveram produtividades inferiores às encontradas neste trabalho.

No trabalho de Ferreira et al. (2009), em Lavras, MG, a estirpe UFLA 02-100 foi equivalente em rendimento de grãos à CIAT 899 e à testemunha sem N mineral; já a estirpe UFLA 02-68 foi semelhante à testemunha adubada com N mineral. As produtividades obtidas por esses autores foram semelhantes às do presente trabalho.

A densidade média de BFNN nativas, obtida com uso do feijoeiro-comum como planta-isca, foi de 10⁴ UFC por g de solo. Essa densidade média situa-se na faixa encontrada em outros trabalhos (Pereira et al., 2000; Soares et al., 2006).

Conclusões

1. O aumento do pH do solo favorece a simbiose entre as bactérias fixadoras de nitrogênio nodulíferas e o feijoeiro-comum.

2. O valor de pH ideal para produção de inoculante varia com as estirpes utilizadas.

3. As estirpes testadas e as populações nativas de bactérias fixadoras de nitrogênio nodulíferas são eficientes em fornecer nitrogênio para a cultura do feijoeiro-comum.

Agradecimentos

Ao Ministério de Agricultura Pecuária e Abastecimento; ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, pelo financiamento do projeto e pela concessão de bolsas aos autores.

Recebido em 10 de setembro de 2010 e aprovado em 3 de dezembro de 2010

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Simbiose de bactérias fixadoras de nitrogênio com feijoeiro-comum em diferentes valores de pH

Symbiosis of nitrogen fixing bacteria with common bean in different pH values

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  31 Mar 2011
• Data do Fascículo
  Jan 2011

Histórico

• Recebido
  10 Set 2010
• Aceito
  03 Dez 2010