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Fungi: Key to tree survival in warming forest (Science Daily)

Date:
July 22, 2015
Source:
Northern Arizona University
Summary:
Much like healthy bacteria in one’s gut supports health of the human body, fungus in soil can be integral to survival of trees, according to a new study.

Pinyon pine test plot east of Flagstaff, Ariz. Credit: Photo by Thomas Whitham

Much like healthy bacteria in one’s gut supports health of the human body, fungus in soil can be integral to survival of trees. Northern Arizona University researcher Catherine Gehring reached this conclusion while studying pinyon-juniper woodlands in northern Arizona, which support nearly 1,000 unique species.

“Just like the human microbiome, plants have a micro biome. It just tends to be fungi instead of bacteria,” Gehring said. “Every tissue of a plant that you look at has fungi inside of it and we are trying to figure out what they do and if they are going to be important for allowing plants to survive climate change.”

Along with a team of researchers, Gehring is studying pinyon pine trees and their susceptibility to severe drought conditions. While many tree species become vulnerable to insects during drought conditions, Gehring’s team discovered a twist: the pinyons that were insect-resistant were not surviving the drought.

“That group of trees had 60 percent mortality and the group susceptible to insects had only 20 percent mortality,” Gehring said.

The answers to this mystery were underground. The group of drought-tolerant trees a different community of beneficial fungi than the trees that died during drought.

Offspring from the two groups, when planted in a greenhouse without fungi, grow to the same size. When the beneficial fungus is included in the soil, the community of fungi associated with drought tolerant trees allowed their seedlings to grow much larger in drought conditions.

Fungi often manifest above ground as mushrooms, but in northern Arizona’s pinyon habitat, the microorganisms are primarily below ground. The species of fungi that are so important during drought are new to science, Gehring said.

There is an interchange after fungi set up residence among roots: fungus gives the tree nutrients and water from the soil and the tree takes sugar from photosynthesis and shares it with the fungi.

Gehring believes understanding the processes and contributions of fungi could have consequences for many species. As warming conditions kill off families of trees, restoration best practices could include replanting and supplementing with fungi-rich soil.

Experiments are conducted in a greenhouse, at field sites and a research garden northwest of Flagstaff.

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Brasileiro faz música em dueto com fungo (BBC)

10 março 2015

Crédito: Edurado Miranda e Ed Braun

Biocomputador com mofo toca dueto com piano

Um músico brasileiro apresentou na Grã-Bretanha um dueto inédito: no piano, ele interagiu com um fungo.

E mofo toca música? Nas mãos de Eduardo Miranda, sim.

Especialista em música computadorizada, ele transformou a decomposição em composição: seu novo trabalho usa culturas do fungo Physarum polycephalumcomo um componente central de um biocomputador interativo, que recebe sinais de som e envia de volta as respostas.

“A composição, Biocomputer Music, se desenvolve como uma interação entre mim e a máquina Physarum,” disse Miranda.

“Eu toco alguma coisa, o sistema escuta, toca alguma coisa de volta, e então eu respondo, e assim por diante.”

Brasileiro de Porto Alegre, Miranda leciona na Universidade de Plymouth, na Inglaterra.

Ele disse à BBC Brasil que Heitor Villa-Lobos tem uma grande inflluência em sua obra e que gostaria de levar a apresentação Biocomputer para o Brasil, mas que, por enquanto, questões técnicas impedem que ele viaje com o equipamento.

Funcionamento

O mofo Physarum forma um componente eletrônico vivo e mutante em um circuito que processa sons captados por um microfone treinado no piano.

Credito: Eduardo Miranda e Ed Braun

Projeto foi desenvolvido na Universidade de Plymouth

Pequenos tubos formados pelo Physarum têm a propriedade elétrica de agir como uma resistência variável que muda de acordo com tensões aplicadas anteriormente, de acordo com Ed Braund, aluno de doutorado no Centro Interdisciplinar de Computer Music Research na Universidade de Plymouth.

“As notas de piano são transformados em uma onda elétrica complexa que enviamos através de um desses túbulos Physarum. A resistência Physarum muda em função das entradas anteriores, e as notas musicais viram, então, uma nova saída que é então enviada de volta para o piano. O biocomputador atua como um dispositivo de memória”, acrescenta Miranda.

“Quando você diz a ele para tocar novamente, ele vai embaralhar as notas enviadas. Pode até gerar alguns sons que não estavam nas notas tocadas. A máquina tem um pouco de ‘criatividade’.”

Enquanto o pianista toca piano na forma convencional, utilizando as teclas, o biocomputador induz notas por pequenos eletroímãs que pairam milímetros acima das cordas de metal, imbuindo a música com um tom etéreo.

Acaso

Miranda compara seu uso de um biocomputador às técnicas “aleatórias” do compositor de vanguarda americano John Cage (1912-1992), que se voltou para o livro chinês de mudanças i-ching e ao lançamento de dados para controlar partes de suas composições.

Credito: Eduardo Miranda e Ed Braund

Som de computador tem traço ‘etéreo’

“John Cage acreditava no acaso, mas não na aleatoriedade. Ele queria aproveitar a estrutura que estava fora de seu controle. Aqui nós temos o efeito, programado em uma máquina viva. Eu acho que isso é o sonho de John Cage realizado.”

Miranda vem explorando há algum tempo o uso de computadores em peças interativas de composições eletrônicas, mas valoriza a simplicidade do processador Physarum.

“O que eu ouço é muito diferente de ter um computador digital programado com cadeias de dados. Não é inteligente, mas é vivo. O que é interessante…”

A estreia de Biocomputer Music ocorreu no Peninsular Arts Contemporary Music Festival “Biomusic” no dia 1º de março.

Plantas se comunicam e ‘brigam’ usando ‘internet de fungos’ (BBC)

Nic Fleming

Filamentos de fungos chamados micélios formam uma rede conhecida como micorriza

Uma via superrápida para tráfego de dados, que coloca em contato uma grande população de indivíduos diversos e dispersos. Essa via facilita a comunicação e colaboração entre os indivíduos, mas também abre caminho para que crimes sejam cometidos.

Parece uma descrição da internet, mas estamos falando de fungos. Os fungos – sejam eles cogumelos ou não – são formados de um emaranhado de pequenos filamentos conhecidos como micélio. O solo está cheio desta rede de micélios, que ajuda a “conectar” diferentes plantas no mesmo solo.

Muitos cientistas estudam a forma como as plantas usam essa rede de micélios para trocar nutrientes e até mesmo para “se comunicar”. Em alguns casos, as plantas formam até mesmo uma união para “sabotar” outras espécies invasoras de plantas, liberando toxinas na rede.

Cerca de 90% das plantas terrestres têm uma relação simbiótica com fungos, que é batizada de micorriza. Com a simbiose, as plantas recebem carboidratos, fósforo e nitrogênio dos fungos, que também as ajudam a extrair água do solo. Esse processo é importante no desenvolvimento das plantas.

‘Internet natural’

Filme de ficção ‘Avatar’ tinha uma ideia parecida com a ‘internet natural’ que existe na Terra

Para o especialista em fungos Paul Stamets, essa rede é uma “internet natural” do planeta Terra. Sua tese é que ela coloca em contato plantas que estão muito distantes de si e não apenas as que estão próximas. Ele traça um paralelo com o filme Avatar, de 2009, em que vários organismos em uma lua conseguem se comunicar e dividir recursos graças a uma espécie de ligação eletroquímica entre as raízes das árvores.

Só em 1997 é que foi possível comprovar concretamente algumas dessas comunicaçõeos via “internet natural”. Suzanne Simard, da Universidade de British Columbia, no Canadá, mostrou que havia uma transferência de carbono por micélio entre o abeto de Douglas (uma árvore conífera) e uma bétula. Desde então, também ficou provado que algumas plantas trocam fósforo e nitrogênio da mesma forma.

Simard acredita que árvores de grande porte usam o micélio para alimentar outras em nascimento. Sem essa ajuda, a cientista argumenta, muitas das novas árvores não conseguiriam sobreviver.

Simard conta que as plantas parecem trabalhar no sentido contrário ao observado por Charles Darwin, de competição por recursos entre espécies. Em muitos casos, espécies diferentes de plantas estão usando a rede para trocar nutrientes e se ajudarem na sobrevivência.

Os cientistas estão convencidos de que as trocas de nutrientes realmente acontece pelo fungo no solo, mas eles ainda não entendem exatamente como isso ocorre.

‘Conluio’

Uma pesquisa recente foi além. Em 2010, Ren Sem Zeng, da faculdade de agronomia da Universidade de Guangzhou, na China, conseguiu observar que algumas plantas “se comunicam entre si” para formar uma espécie de sabotagem a espécies invasoras.

A experiência foi feita com tomates plantados em vários vasos e ligados entre si por micorriza. Um dos tomates foi borrifado com o fungo Alternaria solani, que provoca doenças na planta.

Depois de 65 horas, os cientistas borrifaram outro vaso e descobriram que a resistência deste tomate era muito superior.

“Acreditamos que os tomates conseguem ‘espiar’ o que está acontecendo em outros lugares e aumentar sua resposta à doença contra uma potencial patogenia”, escreveu Zeng no artigo científico.

Ou seja, as plantas não só usam a “internet natural” para compartilhar nutrientes, mas também para formar um “conluio” contra doenças.

Esse tipo de comportamento não foi observado apenas em tomates. Em 2013, o pesquisador David Johnson, da Universidade de Aberdeen, na Escócia, também detectou isso em favas, que se protegem contra insetos mínusculos conhecidos com afídios.

Lado negro

Experiência mostrou que tomates se ‘comunicam’ pela micorriza sobre doenças

Mas assim como a internet humana, a internet natural também possui seu lado negro. A nossa internet reduz a privacidade e facilita crimes e a disseminação de vírus.

O mesmo acontece com as plantas na micorriza, segundo os cientistas. Algumas plantas não possuem clorofila e não conseguem produzir sua própria energia por fotossíntese.

Algumas plantas, como a orquídea Cephalanthera austiniae, “roubam” o carbono que necessitam de árvores das proximidades, usando a rede de micélio. Outras orquídeas que são capazes de fotossíntese roubam carbono, mesmo sem necessitar.

Esse tipo de comportamento faz com que algumas árvores soltem toxinas na rede para combater plantas que roubam recursos. Isso é comum em acácias. No entanto, cientistas duvidam da eficácia desta técnica, já que muitas toxinas acabam sendo absorvidas pelo solo ou por micróbios antes de atingir o alvo desejado.

Para vários cientistas, a internet dos fungos é um exemplo de uma grande lição do mundo natural: organismos aparentemente isolados podem estar, na verdade, conectados de alguma forma, e até depender uns do outros.

Leia a versão original em inglês desta reportagem no site BBC Earth.

Biologists help solve fungal mysteries, inform studies on climate change (Science Daily)

Date: April 17, 2014

Source: Stanford University

Summary: A new genetic analysis revealing the previously unknown biodiversity and distribution of thousands of fungi in North America might also reveal a previously underappreciated contributor to climate change. Huge populations of fungi are churning away in the soil in pine forests, decomposing organic matter and releasing carbon into the atmosphere.

Kabir Peay, assistant professor of biology at Stanford, measures the diameter of a tree at Point Reyes National Seashore. Credit: Thomas Bruns

Pine forests are chock full of wild animals and plant life, but there’s an invisible machine underground. Huge populations of fungi are churning away in the soil, decomposing organic matter and releasing carbon into the atmosphere.

Despite the vital role these fungi play in ecological systems, their identities have only now been revealed. A Stanford-led team of scientists has generated a genetic map of more than 10,000 species of fungi across North America. The work was published this week in the Proceedings of the National Academy of Sciences.

Fungi are much more important than most people realize, said Kabir Peay, an assistant professor of biology at Stanford and senior author on the new paper. “They are the primary decomposers in most of the planet’s ecosystems,” he said, “and if not for them, dead material would accumulate to the point where most other biological processes on Earth would grind to a halt.”

Soil fungi can be divided into two primary groups. The saprotrophs live in the top layer of soil, digesting dead matter, breaking up molecules into individual components — converting proteins into amino acids and starches to simple sugars, and freeing up elements such as nitrogen — that plants rely on for growth.

The other group, mycorrhizal fungi, have an even closer bond with plants, living among their roots and converting older forms of organic matter into nitrogen and phosphorus for the plants. In return, the plants feed these fungi a steady stream of sugars they obtain from photosynthesis.

The soil stores three to four times as much carbon as the atmosphere, and all this microorganism activity also releases some of that carbon into the air, to a tune of 10 times the amount of carbon into the atmosphere as humans release through emissions.

“It’s a huge flux of carbon into the atmosphere, and fungi are the engines,” said Jennifer Talbot, a postdoctoral research fellow in Peay’s lab and first author on the study. “But we do not know how much diversity matters in maintaining the carbon cycle. Are all fungi doing the same thing? Can you kill half the species on Earth and still have the same amount of carbon dioxide released into the atmosphere, carbon stored on land and nutrients recycled?”

DNA in the dirt

These questions are impossible to answer without first knowing which fungi are out in the world. So the researchers traveled to 26 pine forests across North America and collected 10-centimeter-deep soil cores, more than 600 in all. Within hours of collection, and with the assistance of local scientists and universities, they preserved the samples to extract and isolate the fungal DNA. The researchers then used modern genomic tools to sequence unique stretches of the environmental DNA that can be used as barcodes to identify all of the fungal species present in each sample.

The sequencing revealed more than 10,000 species of fungi, which the researchers then analyzed to determine biodiversity, distribution, and function by geographical location and soil depth. Interestingly, Peay said, there was very little overlap in the fungal species from region to region; East Coast fungi didn’t show up on the West Coast or Midwest, and vice versa.

“People oftentimes assume that similar habitats in, say, North Carolina and California would have similar fungi, but this is the opposite of what we find,” Peay said. “What’s more interesting, despite the fact that soil fungal communities in Florida and Alaska might have no fungi in common, you find that many of the processes and the functional rates are convergent. The same jobs exist, just different species are doing them.”

The team found this to be particularly true when comparing the functionality of fungi at different strata of the core samples. Even though the samples were collected thousands of miles apart, fungi near the top all performed the same task; similarly, bottom fungi performed very similar functions across the continent.

Peay said that more work is needed to understand fungal dispersal mechanisms and whether that plays a role in restricting species to particular regions, but the current finding that each bioregion has its own unique fungal fingerprint indicates that fungi could prove to be powerful forensic markers.

Impact on the climate

One surprising discovery was related to fungi producing oxidoreductases, enzymes used to break down particularly old forms of carbon-based molecules. In the study, the activity of oxidoreductases was associated with the abundance of mycorhizzal fungi. The new results suggest that these fungi may be far busier in degrading old organic material than previously thought.

“If mycorrhizal fungi are responsible for breaking down these types of carbon, even to a small degree, it totally changes our concept of how carbon is cycled through ecosystems and released into the atmosphere,” Talbot said. “This shows that we really need to think about the biology of the system. We hope to provide some simple parameters so folks building climate change models will be able to fold in this type of biology.”

Journal Reference:
  1. J. M. Talbot, T. D. Bruns, J. W. Taylor, D. P. Smith, S. Branco, S. I. Glassman, S. Erlandson, R. Vilgalys, H.-L. Liao, M. E. Smith, K. G. Peay. Endemism and functional convergence across the North American soil mycobiome.Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014; DOI:10.1073/pnas.1402584111