Interactions of plant growth-promoting microorganisms with Araucaria angustifolia (Bertol.) Kuntze

Abstract

Resumo: A Mata Atlântica Brasileira (MAB) é um hotspot de biodiversidade cuja restauração florestal necessita de estratégias que melhorem o desempenho inicial das mudas. Nesse sentido, microrganismos promotores de crescimento vegetal (MPCV), como fungos micorrízicos arbusculares (FMA) e bactérias promotoras de crescimento vegetal (BPCV) têm sido estudados como ferramentas biotecnológicas capazes de melhorar o estado nutricional e o vigor de espécies florestais nativas. Entre as espécies de interesse, a araucária (Araucaria angustifolia), que apresenta uma fitofisionomia própria dentro da MAB, nomeada Floresta de Araucárias ou Floresta Ombrófila Mista, está listada como criticamente ameaçada de extinção há mais de uma década, o que reforça a necessidade de estratégias que aumentem seu estabelecimento e sobrevivência. Portanto, esta tese foi alicerçada na hipótese de que a inoculação com MPCV melhoram o crescimento, o estado nutricional e a resiliência de mudas de espécies nativas da MAB. A pesquisa foi conduzida na literatura com dezenas de espécies florestais nativas da MAB, e experimentalmente com ênfase em A. angustifolia. Foram considerados diferentes grupos microbianos, condições experimentais, estresses ambientais e etapas do processo de produção e estabelecimento de mudas. O capítulo 1 consistiu em uma meta-análise com dados de 60 artigos que avaliaram os efeitos de FMA, BPCV, bactérias fixadoras de nitrogênio (BFN) e a combinação FMA+BFN em mudas nativas da MAB, considerando estágios sucessionais, grupos funcionais e condições experimentais. Os capítulos 2, 3 e 4 foram desenvolvidos com base em experimentos realizados com mudas de A. angustifolia, respectivamente, para: (2) avaliar o crescimento, o estado nutricional e a persistência de BPCV em diferentes substratos, utilizando técnicas de cultivo e PCR quantitativo (qPCR); (3) analisar os efeitos da inoculação com BPCV sob diferentes regimes hídricos, com avaliação de respostas morfológicas, fisiológicas e bioquímicas; (4) avaliar o efeito da inoculação com BPCV e FMA em diferentes momentos do ciclo de produção e estabelecimento das mudas em campo. A meta-análise demonstrou que a inoculação com MPCV, especialmente FMA, promove maiores benefícios em espécies pioneiras e secundárias iniciais, principalmente em condições estéreis e com fertilização fosfatada. A inoculação com BPCV melhorou o estado nutricional e o crescimento radicular de forma diferenciada em diferentes substratos, o que sugere que as BPCV utilizadas têm diferentes níveis de competitividade após a inoculação. Além disso, a qPCR mostrou-se uma ferramenta molecular eficaz para monitorar a persistência de BPCV nas raízes. A inoculação de BPCV em condições de seca afetou o acúmulo de nutrientes das mudas, o que poderia ser atribuído à maior tolerância à seca. No campo, a inoculação não afetou a altura ou a biomassa, mas as taxas de aplicação dos inoculantes ao longo do tempo influenciaram o diâmetro. Os resultados indicam que os benefícios dos MPCV dependem da adequação entre microrganismos, espécies vegetais, estágio sucessional e condições ambientais. Embora a inoculação contribua para aspectos específicos do desenvolvimento inicial e da resiliência das mudas, sua eficácia em campo requer abordagens integradas e experimentos adicionais em diferentes contextos ambientais, reforçando seu potencial, mas também suas limitações, como ferramenta para a restauração e conservação florestal

Abstract: The Brazilian Atlantic Forest (BAF) is a biodiversity hotspot whose forest restoration requires strategies that improve the early performance of seedlings. In this context, plant growth-promoting microorganisms (PGPM) such as arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and plant growth-promoting bacteria (PGPB), have been studied as biotechnological tools capable of enhancing the nutritional status and vigor of native forest species. Among the species of interest, the araucaria (Araucaria angustifolia), which forms a distinct phytophysiognomy within the BAF known as Araucaria Forest of Mixed Ombrophilous Forest, has been listed as critically endangered for more than a decade, reinforcing the need for strategies that increase its establishment and survival. Therefore, this thesis was based on the hypothesis that inoculation with PGPM improve the growth, nutritional status, and resilience of seedlings of native BAF species. The research was conducted through a literature review involving dozens of native forest species from BAF and experimentally with emphasis on A. angustifolia. Different microbial groups, experimental conditions, environmental stresses, stages of the seedling production and establishment process were considered. Chapter 1 consisted of a meta-analysis of data from 60 articles that evaluated the effects of AMF, PGPB, nitrogen-fixing bacteria (NFB), and the AMF+NFB combination on native BAF seedlings, considering successional stages, functional groups, and experimental conditions. Chapters 2, 3, and 4 were developed based on experiments conducted with A. angustifolia seedlings, respectively, to: (2) evaluate growth, nutritional status, and PGPB persistence in different substrates using cultivation techniques and quantitative PCR (qPCR); (3) analyze the effects of PGPB inoculation under different water regimes, assessing morphological, physiological, and biochemical responses; and (4) evaluate the effect of PGPB and AMF inoculation at different moments of the production cycle and seedling establishment in the field. The meta-analysis demonstrated that inoculation with PGPM, especially AMF, promotes greater benefits in pioneer and early secondary species, mainly under sterile conditions and with phosphate fertilization. PGPB inoculation improved nutritional status and root growth in different ways depending on the substrate, suggesting that the PGPB strains used exhibit different levels of competitiveness after inoculation. Furthermore, qPCR proved to be an effective molecular tool for monitoring PGPB persistence in roots. PGPB inoculation under drought conditions affected nutrient accumulation in seedlings, which could be attributed to increased drought tolerance. In the field, inoculation did not affect height or biomass, but the application rates of inoculants over time influenced stem diameter. The results indicate that the benefits of PGPM depend on the compatibility among microorganisms, plant species, successional stage, and environmental conditions. Although inoculation contributes to specific aspects of early development and seedling resilience, its effectiveness in the field requires integrated approaches and additional experiments in different environmental contexts, reinforcing its potential, but also its limitations, as a tool for forest restoration and conservation