análise metagenômica funcional de ciclos biogeoquímicos em solos

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análise metagenômica funcional de ciclos biogeoquímicos em solos
I CONGRESSO BRASILEIRO DE MICROBIOLOGIA AGROPECUÁRIA,
AGRÍCOLA E AMBIENTAL (CBMAAA)
09 a 12 de maio de 2016 - Centro de Convenções da UNESP,
Câmpus de Jaboticabal, SP
ANÁLISE METAGENÔMICA FUNCIONAL DE CICLOS
BIOGEOQUÍMICOS EM SOLOS DE MATA NATIVA E DE
PLANTIO DIRETO
FUNCTIONAL
METAGENOMICS
ANALYSIS
OF
BIOGEOCHEMICAL CYCLES IN NO-TILL MANAGEMENT
SYSTEM AND NATIVE FOREST SOIL
Suzana Eiko Sato Guima (1)
Ramir Bavaresco Junior (2)
Elaine Costa Souza (3)
Maricy Raquel Lindenbah Bonfá (4)
Rodrigo Matheus Pereira (5)
Resumo
Os microrganismos, especialmente os presentes no solo, desempenham funções
importantes para a manutenção dos ecossistemas. A produção de enzimas microbianas auxilia
a mineralização para melhor assimilação de nutrientes pelas plantas. Desta forma, a busca por
novas enzimas é necessária. O presente trabalho comparou as enzimas dos ciclos do
nitrogênio, fósforo e enxofre de dois diferentes solos, um de mata nativa (MN) e outro sob
manejo de sistema de plantio direto (PD). Para tanto, utilizou-se análises de metagenômica
com o sequenciamento total do DNA das amostras. Foram encontradas um total de 10.808
enzimas presentes nos solos de MN e PD. Desse total, 44, 46 e 65 enzimas correspondem
respectivamente aos metabolismos de nitrogênio, fósforo e enxofre do solo de MN. Com
relação ao solo sob manejo de plantio direto, 56, 54 e 73 enzimas correspondem
respectivamente aos metabolismos de nitrogênio, fósforo e enxofre. No solo de MN, as
enzimas mais abundantes dos ciclos de nitrogênio, fósforo e enxofre foram respectivamente
glutamate synthase [NADPH], phnB protein e arylsulfatase enquanto no solo sob manejo de
de PD, foram as enzimas glutamate synthase [NADPH], pyrophosphate-energized proton
pump e thioredoxin reductase respectivamente para os metabolismos de nitrogênio, fósforo e
enxofre. Das enzimas encontradas com estatística significativa, a maioria das enzimas do
ciclo do nitrogênio estavam presentes no solo de MN; 70% das enzimas do ciclo do fósforo
estavam presentes no solo sob manejo de PD; e a maioria das enzimas do ciclo de enxofre
estavam presentes no solo de MN.
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Graduanda em Biotecnologia pela Universidade Federal da Grande Dourados. E-mail: [email protected].
Graduando em Biotecnologia pela Universidade Federal da Grande Dourados. E-mail: [email protected].
Doutora em Melhoramento Genético de Plantas Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias pela Universidade Estadual Paulista Júlio de
Mesquita Filho. E-mail: [email protected].
,
Doutora em Ciências dos Alimentos pela Universidade Estadual de Campinas. Docente da Faculdade de Ciências Biológicas e Ambientais
(FCBA) da UFGD. E-mail: [email protected].
.
Doutor em Microbiologia Agropecuária pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho. Docente da Faculdade de Ciências
Biológicas e Ambientais (FCBA) da UFGD. E-mail: [email protected].
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I CONGRESSO BRASILEIRO DE MICROBIOLOGIA AGROPECUÁRIA,
AGRÍCOLA E AMBIENTAL (CBMAAA)
09 a 12 de maio de 2016 - Centro de Convenções da UNESP,
Câmpus de Jaboticabal, SP
Palavras-chave: Enzimas. NGS. Nitrogênio. Fósforo. Enxofre. Bioprospecção.
Abstract
Microorganisms, especially those present in soil, play important roles for ecosystems
maintenance. Microbial enzymes production helps the mineralization in order to obtain better
plant assimilation of nutrients. Therefore, search for new enzymes is necessary. This current
work compared enzymes of nitrogen, phosphorus and sulfur cycle in two different soils, one
from native forest and the other from no-till management system. For this purpose,
metagenomic analysis was used with total DNA sequencing of the samples. A total of 10,808
enzymes was found in no-till management system and native forest soil. From this total, 44,
46 and 65 enzymes corresponded respectively to nitrogen, phosphorus and sulfur metabolisms
in native forest soil. About no-till management system soil, 56, 54, and 73 enzymes
corresponded respectively to nitrogen, phosphorus and sulfur metabolisms. In native forest
soil, the most abundant enzymes of nitrogen, phosphorus, and sulfur cycle were respectively
glutamate synthase [NADPH], phnB protein, and arylsulfatase while in no-till management
system soil, the most abundant enzymes were glutamate synthase [NADPH], pyrophosphateenergized proton pump and thioredoxin reductase respectively for nitrogen, phosphorus, and
sulfur metabolisms. Most of the found nitrogen cycle enzymes with statistical significance
were present in native forest soil; 70% of phosphorus cycle enzymes were present in no-till
management system soil; and most of the sulfur cycle enzymes were present in native forest
soil.
Keywords: Enzymes. NGS. Nitrogen. Phosphorus. Sulfur. Bioprospecting.
1 Introdução
A diversidade microbiana do solo é uma área de muito interesse, já que a diversidade
por grama de amostra encontrada tem demonstrado que este ambiente seria o mais diverso
com relação as bactérias do planeta Terra (ROESCH et al., 2007). Consequentemente, o solo
se torna uma fonte genética potencial para a exploração de enzimas de interesse de aplicação
na agricultura e na indústria. Comunidades microbianas são componentes de extrema
importância na manutenção da fertilidade (SICILIANO et al., 2014) e na funcionalidade e
sustentabilidade dos ecossistemas do solo (WAGG et al., 2014). A contribuição de
microrganismos do solo para a nutrição de plantas é relacionada aos ciclos biogeoquímicos /
ciclos do carbono, nitrogênio, fósforo, enxofre e de micronutrientes / na qual enzimas
microbianas catalisam diferentes etapas (FALKOWSKI et al., 2008; MATSUMOTO et al.,
2005).
O nitrogênio é um elemento que compõe biomoléculas essenciais como peptídeos,
proteínas, peptideoglicanos e bases nitrogenadas (MOREIRA; SIQUEIRA, 2006). As enzimas
que participam no ciclo de nitrogênio são conhecidas desde a fixação de nitrogênio pela
atividade das nitrogenases produzidas por um grupo de microrganismos (DOS SANTOS et
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al., 2012) até a redução do óxido de nitrogênio (NO) ao N2 desnitrificação) (FALKOWSKI et
al., 2008). O enxofre também é um elemento essencial necessário para a síntese de
aminoácidos que constituem as vitaminas, os hormônios e as enzimas. Diversos
microrganismos estão envolvidos na transformação e no processo de oxidação de enxofre,
disponibilizando ao solo o sulfato (SO4-2) / forma de enxofre assimilado pelas plantas
(MOREIRA; SIQUEIRA, 2006). Por sua vez, o fósforo apresenta importância como
constituinte de ácidos nucleicos e ATP. Diversos microrganismos são responsáveis pelo
processo de mineralização do fósforo orgânico, sendo capazes de hidrolisar o elemento por
meio da produção de fosfatases, e atuando na disponibilidade de P para as plantas
(MOREIRA; SIQUEIRA, 2006).
Apesar da rica diversidade microbiana e do potencial de exploração de enzimas
relacionadas ao ciclo biogeoquímico do solo, menos de 1% dos microrganismos são
cultiváveis por meio do método tradicional de isolamento (TORSVIK; SØRHEIM;
GOKSØYR, 1996). Desse modo, métodos independentes de cultivo como a metagenômica
têm sido utilizados em solos como meio para investigar, classificar e manipular
sistematicamente o material genético inteiro obtido diretamente de amostras ambientais
(SHARMA; VAKHLU, 2014). Assim, este trabalho teve como objetivo a bioprospecção in
silico de enzimas dos ciclos de nitrogênio, fósforo e enxofre em solos de mata nativa e sob
manejo do sistema de plantio direto utilizando métodos metagenômicos.
2 Material e Métodos
As amostras foram coletadas em Mata Nativa (MN) (Floresta Semidecidual;
S22°28’2231’’, W54°81’4571’’) e manejo de sistema de Plantio Direto (PD) (S22.279410,
W54.812593) na Embrapa Agropecuária Oeste (CPAO) localizada no município de
Dourados-MS. Essas amostras de solos foram coletados a uma profundidade de 0 a 10 cm da
superfície. Foram necessárias 10 amostras simples para a obtenção de uma amostra composta
representativa de cada sistema de manejo de solo. Essas amostras foram armazenadas em
sacos plásticos estéreis, mantidos sob refrigeração e transportados para UNESP - Campus
Jaboticabal-SP, para sequenciamento genético, e ao laboratório de análise de solos da
Universidade Federal da Grande Dourados para análise química.
A extração do DNA foi realizada utilizando-se o DNA Spin Kit (MoBio Laboratories,
USA) de acordo com as instruções do fabricante. A quantidade e qualidade do DNA foi
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verificada nos equipamentos NanoDrop® (Thermo Fisher Scientific) e Quibit® (Invitrogen),
de acordo com as instruções do fabricante. O DNA foi sequenciado utilizando a metodologia
Ilumina HiScanSQ. Verificou-se também a qualidade do sequenciamento utilizando-se o
programa FastQC (ANDREWS, 2010). Sequências ruins que apresentavam baixa qualidade
ou que eram muito curtas foram retiradas por meio do programa Prinseq-lite (SCHMIEDER
et al. 2011). Para a montagem das sequências, o algoritmo IDBA-UD (PENG, 2012). Para a
identificação de ORFs, executou-se o software FragGeneScan (RHO, 2010).
Os dados foram anotados no servidor MG-RAST (MEYER et al., 2008) utilizando o
banco de dados Subsystems como fonte de anotação em classificação hierárquica. Foi
realizada a análise estatística dos dois solos utilizando a ferramenta STAMP (Statistical
Analysis of Metagenomics Profiles), com o teste estatístico G-test (W/Yates’) + Fisher’s com
taxa de confiabilidade de 95% para p-value maiores que 0,055 (PARKS et al., 2014).
3 Resultados e Discussão
Obtiveram-se um total de 10.808 enzimas presentes nos solos de mata nativa e sob
manejo do sistema de plantio direto, porém apenas 44, 46 e 65 enzimas correspondem
respectivamente aos metabolismos de nitrogênio, fósforo e enxofre do solo de mata nativa. Do
solo sob manejo de plantio direto, 56, 54 e 73 enzimas correspondem respectivamente aos
metabolismos de nitrogênio, fósforo e enxofre. Apenas as enzimas da Figura 1 foram as mais
frequentemente encontradas. A abundância destas enzimas está representada nas Tabelas 1, 2
e 3, respectivamente.
Referente ao ciclo do nitrogênio, entre as cinco enzimas mais abundantes de cada solo,
a enzima Putative cytochrome P450 hydroxylase foi encontrada tanto no solo de mata nativa
quanto no solo sob manejo de plantio direto. Essa enzima está relacionada ao processo de
síntese do óxido nítrico. Foram encontradas também, entre as mais abundantes, as enzimas
glutamate synthase [NADPH] (EC 1.4.1.13), ammonium transporter e glutamine synthetase
type I (EC 6.3.1.2) nos dois solos (Tabela 1). Estas enzimas possuem um papel essencial
durante o processo de assimilação de amônio em organismos biológicos. Nesse processo,
ocorre a incorporação de amônio em aminoácidos. Em plantas, o nitrogênio pode ser
absorvido pelas raízes na forma de nitrato (NO3-) ou amônio (NH4+). O amônio deve ser
rapidamente incorporado pelas enzimas glutamate synthase e glutamine synthetase, formando
glutamina, glutamato e outros aminoácidos (BREDEMEIER; MUNDSTOCK, 2000). A
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assimilação de amônia pode ocorrer por bactérias do rúmen. Ruminantes não são capazes de
utilizar diretamente o nitrogênio da amônia, porém bactérias presentes no rúmen desses
animais são capazes de metabolizar a amônia por meio de diversas enzimas, incluindo a
glutamate synthase e a glutamine synthetase (PENGPENG, WANG; ZHILIANG TAN,
2013).
Quanto aos dados gerados pelo STAMP (Figura 1), as enzimas que fazem parte do
ciclo de nitrogênio foram encontradas mais frequentemente no solo de mata nativa. As
enzimas cyanate ABC transporter-ATP-binding protein, ureidoglycolate dehydrogenase (EC
1.1.1.154) e a cysteine desulfurase (EC 2.8.1.7) NifS subfamily foram encontradas e
consideradas estatisticamente significativas. A nitrogenase (molybdenum-iron)-specific
transcriptional regulator NifA foi encontrada e apresentou p-value de 0,055.
A ureidoglycolate dehydrogenase (EC 1.1.1.154) está envolvida na metabolização de
alantoína. Visto a importância do nitrogênio em organismos biológicos, algumas plantas e
microrganismos são capazes de usar a alantoína como fonte de nitrogênio (DESIMONE et al.,
2002; CUSA et al., 1999), sendo que em bactérias, uma das enzimas que participam desse
processo é a ureidoglycolate dehydrogenase (EC 1.1.1.154) (KIM et al., 2012). Em relação à
enzima cyanate ABC transporter-ATP-binding protein, esta é uma proteína transportadora
envolvida na hidrólise de cianato. Estudos recentes apresentaram o uso de cianato por
microrganismos nitrificantes como fonte de energia, na qual o cianato é convertido em
amônio e dióxido de carbono pela enzima cianase. Por meio de análises metagenômicas, essas
enzimas foram encontradas em microrganismos nitrificantes (PALATINSZKY et al., 2015).
Quanto às enzimas cysteine desulfurase (EC 2.8.1.7) e nitrogenase (molybdenum-iron)specific transcriptional regulator NifA, ambas participam do processo de fixação de
nitrogênio (MIHARA; ESAKI, 2002; VARLEY et al., 2015). Grande parte do elemento
nitrogênio encontra-se na forma de gás (N2). Entretanto, muitos organismos não conseguem
metabolizar o nitrogênio nesta forma, sendo necessário a conversão do gás em amônia (NH3)
ou nitrato (NO3-). Esse processo é conhecido como fixação de nitrogênio e é um passo
essencial no ciclo de nitrogênio (HOFFMAN et al., 2014).
Considerando-se o ciclo do fósforo, das cinco enzimas mais abundantes para cada
tipo de solo, Pyrophosphate-energized proton pump (EC 3.6.1.1) estava em ambos os solos
(Tabela 2).
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Tabela 1 – Cinco enzimas mais abundantes do ciclo do nitrogênio encontradas na anotação
feita no MG-RAST em cada tipo de solo.
Tipo
de
solo
Enzimas
Ab.
e-value
médio
% id
méd.
comp.
alinh.
Médio
nº de
hits
MN
Glutamate synthase [NADPH] large
chain (EC 1.4.1.13)
38
-42,09
74,38
108,09
25
MN
Ammonium transporter
20
-31,82
69,55
91,09
19
MN
Glutamine synthetase type I (EC
6.3.1.2)
18
-37,28
71,76
101,83
15
MN
Putative cytochrome P450
hydroxylase
17
-20,89
65,60
73,11
17
MN
[Protein-PII] uridylyltransferase (EC
2.7.7.59)
13
-18,57
63,95
66,79
13
PD
Glutamate synthase [NADPH] large
chain (EC 1.4.1.13)
65
-50,36
77,78
121,83
39
PD
Glutamine synthetase type I (EC
6.3.1.2)
30
-51,70
76,70
122,10
22
PD
Ammonium transporter
29
-38,68
74,11
100,50
21
PD
Putative cytochrome P450
hydroxylase
27
-21,84
65,00
77,84
27
PD
Glutamate synthase [NADPH] small
chain (EC 1.4.1.13)
24
-42,04
74,78
104,04
21
MN = Mata Nativa; PD: Plantio Direto. Ab. = Abundância; % id méd. = porcentagem de identidade média;
comp. alinh. médio = comprimento do alinhamento médio.
No ciclo do fósforo, a exopolyphosphatase (EC 3.6.1.11) e phosphate transport ATPbinding protein PstB foram encontradas com mais frequência no solo sob manejo de plantio
direto, enquanto secreted alkaline phosphatase no solo de mata nativa. A exopolyphosphatase
(EC 3.6.1.11) é a principal enzima responsável por catalizar a polyP, a principal reserva de
fósforo em microrganismos. Essa enzima facilmente hidrolisa e gradualmente separa o
fósforo inorgânico do final da cadeia de polifosfatos (polyP) inorgânicos (ALBI; SERRANO,
2016).
Quanto ao ciclo do enxofre, arylsulfatase (EC 3.1.6.1), thioredoxin reductase (EC
1.8.1.9) e gamma-glutamyltranspeptidase (EC 2.3.2.2) foram as enzimas de maior abundância
presentes tanto no solo de mata nativa como no solo sob manejo de plantio direto (Tabela 3).
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A partir do gráfico gerado no programa STAMP é possível observar que houve diferença
estatística significativa com relação à presença destas enzimas nos dois tipos de solo (Figura
1). A arylsulfatase (EC 3.1.6.1) e a gamma-glutamyltranspeptidase (EC 2.3.2.2) foram mais
frequentemente encontradas no solo de mata nativa do que no solo sob manejo de plantio
direto, o oposto ocorreu com a enzima thioredoxin reductase (EC 1.8.1.9).
Tabela 2 – Cinco enzimas mais abundantes do ciclo do fósforo encontradas na anotação feita
no MG-RAST em cada tipo de solo.
Tipo
de
solo
Enzimas
Ab.
evalue
médio
% id
méd.
comp.
alinh.
médio
nº de
hits
MN
PhnB protein
15
-18.05
68.7
63.63
14
MN
Pyrophosphate-energized proton
pump (EC 3.6.1.1)
12
-27.92
71.45
82.58
12
MN
Phosphate ABC transporter,
periplasmic phosphate-binding
protein PstS (TC 3.A.1.7.1)
10
-31.5
69.29
89.9
10
MN
Phosphate transport system permease
protein PstC (TC 3.A.1.7.1)
9
-30.89
69.51
90.89
9
MN
Soluble pyridine nucleotide
transhydrogenase (EC 1.6.1.1)
7
-18.86
66.14
69.43
7
PD
Pyrophosphate-energized proton
pump (EC 3.6.1.1)
32
-41.44
82.15
104.6
15
PD
Phosphate transport ATP-binding
protein PstB (TC 3.A.1.7.1)
23
-40.25
74.62
106.15
17
PD
Phosphate regulon sensor protein
PhoR (SphS) (EC 2.7.13.3)
21
-19.96
64.67
74.25
21
PD
Polyphosphate kinase (EC 2.7.4.1)
19
-43.72
73.84
114.44
14
PD
Exopolyphosphatase (EC 3.6.1.11)
19
-23.05
66.46
80.3
19
MN = Mata Nativa; PD: Plantio Direto. Ab. = Abundância; % id méd. = porcentagem de identidade média;
comp. alinh. médio = comprimento do alinhamento médio.
A arylsulfatase (EC 3.1.6.1) foi reportada como sendo capaz de hidrolisar o éster de
sulfato (SLEZACK-DESCHAUMES et al., 2012). Como grande parte do enxofre orgânico do
solo está na forma de ésteres de sulfato, a enzima possui um papel importante na
mineralização do enxofre, processo que aumenta a biodisponibilidade de sulfato. O sulfato é a
forma do enxofre que é absorvida pelas plantas e também é a forma alguns microrganismos
assimilam. A mineralização de enxofre também possui forte relação com a acidez do solo
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(MOREIRA; SIQUEIRA, 2006). Thioredoxin reductase (EC 1.8.1.9) é a única enzima capaz
de reduzir a tioredoxina. Essa enzima participa do processo de formar ligações dissulfídicas
reduzidas e no balanço redox das células, estando presente em quase todos os compartimentos
celulares (cloroplasto, mitocôndria e citoplasma) (MARCHAL et al., 2014). A expressão
dessas enzimas foi reportada como conferindo tolerância vegetal ao stress oxidativo e à seca
(CHA et al., 2014). A gamma-glutamyltranspeptidase utiliza a glutationa como fonte de
enxofre prosseguindo o ciclo do enxofre.
Tabela 3 – Cinco enzimas mais abundantes do ciclo do enxofre encontradas na anotação feita
no MG-RAST em cada tipo de solo
Tipo
de
solo
Enzimas
Ab.
evalue
médio
% id
méd.
comp.
alinh.
médio
nº de
hits
MN
Arylsulfatase (EC 3.1.6.1)
56
-39.02
73.12
99.58
38
MN
Gamma-glutamyltranspeptidase (EC
2.3.2.2)
39
-16.98
69.6
60.45
39
MN
Ferredoxin
37
-18.24
68.07
62.14
30
MN
Thioredoxin reductase (EC 1.8.1.9)
27
-23.91
67.57
81.64
24
MN
Alkyl hydroperoxide reductase
subunit C-like protein
14
-25.47
72.12
75.93
13
PD
Thioredoxin reductase (EC 1.8.1.9)
106
-33.84
70
101.91
53
PD
Ferredoxin
92
-29.59
69.94
86.38
70
PD
Gamma-glutamyltranspeptidase (EC
2.3.2.2)
45
-31.64
70.31
95.07
37
PD
Beta-galactosidase (EC 3.2.1.23)
21
-30.82
70.34
87.45
13
PD
Arylsulfatase (EC 3.1.6.1)
20
-34.52
76.35
85.24
14
MN = Mata Nativa; PD: Plantio Direto. Ab. = Abundância; % id méd. = porcentagem de identidade média;
comp. alinh. médio = comprimento do alinhamento médio.
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Figura 1 – Enzimas encontradas nos solos de mata nativa e sob manejo de plantio direto e
dfdfdffd.Dourados-MS.
.
MN = Mata Nativa; PD: Plantio Direto. Foi considerado apenas p-value (corrected) menores que 0,055. As
letras S, P e N significam os ciclos de enxofre, fósforo e nitrogênio respectivamente.
4 Conclusões
Das enzimas encontradas com estatística significativa, a maioria das enzimas do ciclo
do nitrogênio estavam presentes no solo de mata nativa; 70% das enzimas do ciclo do fósforo
estavam presentes no solo sob manejo de plantio direto; e a maioria das enzimas do ciclo de
enxofre estavam presentes no solo de mata nativa. O presente trabalho foi apenas um esforço
inicial para o estudo da diversidade metabólica funcional em diferentes tipos de solo.
5 Agradecimentos/ Apoio financeiro
Agradecemos a Fundação de Apoio ao Desenvolvimento do Ensino, Ciência e
Tecnologia do Estado do Mato Grosso do Sul (FUNDECT), à Embrapa Agropecuária Oeste
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09 a 12 de maio de 2016 - Centro de Convenções da UNESP,
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(CPAO) pela disponibilização dos solos, à UNESP - Campus Jaboticabal pelo
sequenciamento das amostras.
Referências
ALBI, Tomás; SERRANO, Aurelio. Inorganic polyphosphate in the microbial world.
Emerging roles for a multifaceted biopolymer. World Journal of Microbiology and
Biotechnology, v. 32, n. 2, p. 1-12, 2016.
ANDREWS, Simon et al. FastQC: A quality control tool for high throughput sequence data.
Reference Source, 2010. <http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc/>.
Acesso em: 25 mar. 2016.
BREDEMEIER, Christian; MUNDSTOCK, Claudio Mario. Regulação da absorção e
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DESIMONE, Marcelo et al. A novel superfamily of transporters for allantoin and other oxo
derivatives of nitrogen heterocyclic compounds in Arabidopsis. The Plant Cell, v. 14, n. 4, p.
847-856, 2002.
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I CONGRESSO BRASILEIRO DE MICROBIOLOGIA AGROPECUÁRIA,
AGRÍCOLA E AMBIENTAL (CBMAAA)
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Câmpus de Jaboticabal, SP
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