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Applying bacteria to seeds reduces global warming effects on plants
Improved photosynthesis and nutritional quality are achieved by reducing the use of chemical fertilizers and the emission of nitrous oxide, a gas with a global warming power 300 times greater than carbon dioxide
Inoculation is a sustainable strategy to increase climate resilience of tropical pastures - Photo: Freepik
A technique already widely used in Brazilian agriculture, particularly in soybean production, has proven effective in reducing the impacts of atmospheric warming on plants. The method involves treating seeds with plant growth-promoting bacteria to enhance biological functions such as photosynthesis and gas exchange
Published in Science of The Total Environment, the discovery of the technique’s benefits regarding global warming occurred during an experiment carried out with forage grasses (plants that serve as animal feed) on the USP campus in Ribeirão Preto.
Researcher Eduardo Habermann, from the Biology Department at USP’s Faculty of Philosophy, Sciences and Letters in Ribeirão Preto (FFCLRP), notes that the technique is already known to improve pasture nutritional quality and animal digestion.
However, this is the first time its protective effects against atmospheric warming have been demonstrated.
Eduardo Habermann - Photo: Personal archive
According to the researcher, the reduction of the harmful effects of warming through seed inoculation with bacteria is linked to several factors, including increased root growth, which improves the plant’s ability to absorb water and nutrients.”In addition, inoculation stimulates the plant’s antioxidant system, reducing the oxidative stress caused by high temperatures,” he adds.
The use of bacteria for planting is important even without the context of greater warming.
For Carlos Alberto Martinez y Huaman, professor in the Department of Biology at FFCLRP and leader of the research team, “under current temperature conditions, the symbiosis established between plants and plant growth-promoting bacteria offers advantages, particularly in relation to the fixation of atmospheric nitrogen, which is fundamental for accelerated growth, since nitrogen is an essential component of amino acids, proteins, chlorophyll and DNA. The result will be a more vigorous and productive plant even in situations of water stress and salinity.”
Carlos Alberto Martinez y Huaman - Photo: Personal archive
Risks to food production
The FFCLRP research group carried out the field experiment for one year at the University’s own campus, inoculating the bacteria Azospirillum brasilense and Pseudomonas fluorescens, produced by Embrapa Soja, into a species of grass. To represent the process of increasing atmospheric temperature, an outdoor heating system called T-FACE was used, capable of increasing the temperature of the plants by 2°C throughout the study period and uninterruptedly through infrared heaters.
The goal was to simulate a future scenario of global warming and investigate what would happen to plants germinated from the inoculation of these bacteria, since high temperatures pose risks to food production, impairing photosynthesis and accelerating the life cycle of plants. The environment created by global warming compromises “grain filling and crop productivity and also reduces the nutritional quality of forage plants,” Habermann recalls.
According to the researchers, analyzing the experiment results revealed that global warming reduces the efficiency of photosynthesis, increases transpiration and water stress, and negatively affects biomass production and nutritional quality in plants. Despite this, the inoculation of microorganisms was able to reverse this situation, completely neutralizing these negative impacts of warming.
Reduction of nitrous oxide emissions
Habermann also highlights the sustainability of inoculating seeds with plant growth-promoting bacteria compared to the fertilizers widely used in agriculture today. “Inoculation works as a complementary process that can significantly reduce the need for chemical fertilizers, especially nitrogen-based ones”, the researcher explains.
Although fertilizers are essential for high agricultural productivity, their excessive or improper use poses environmental risks. Professor Martinez advocates for replacing them with more sustainable alternatives, citing their “significant contribution to mitigating climate change. Reducing emissions of nitrous oxide – a gas released after applying nitrogen fertilizers – is an urgent need, as this greenhouse gas has 300 times the global warming potential of carbon dioxide”, he warns.
Global warming and food production
The historic Paris Agreement – an international treaty to curb the effects of climate change – set the safety limit at 2 degrees Celsius. By 2024, however, the global average temperature had already reached about 1.6 degrees Celsius above pre-industrial levels, and it is expected to keep rising through the end of the century
This phenomenon threatens food production, as heat waves during critical growth periods can cause severe damage. “Plants can suffer significant harm, and yields can be completely lost,” says Martinez. “For example, during the pollination stage, crops may experience total failure in grain and seed production.”
Habermann adds that high temperatures also impact animal husbandry. “In livestock farming, excessive heat affects the thermal comfort of animals, reducing feed consumption and productivity. It also reduces the nutritional quality of the pasture, which compromises the digestibility of the plant material and the animals’ ability to obtain energy.”
Biological nitrogen fixation
The results open up new possibilities, both in the area of research and in Brazilian food production. Habermann believes that researchers should now investigate whether the same occurs with other forage grass species such as Brachiaria brizantha cv. Marandu (palisade grass), widely used in Brazil.
“Considering the vast agricultural areas dedicated to the cultivation of pastures and agricultural crops in Brazil, such as sugarcane, corn, and sorghum, for example, a major economic impact is expected from the partial replacement of nitrogen fertilizers with biological nitrogen fixation by plant growth-promoting bacteria,” concludes Martinez.
The research was funded by the São Paulo State Research Foundation (Fapesp), within the Fapesp Research Program on Global Climate Change, and researchers from several national and international institutions participated, including researcher Mariangela Hungria, from Embrapa Soja, recently nominated for the World Food Prize.
The article Inoculation with plant growth-promoting bacteria mitigates the negative impacts of 2 °C warming on the photosynthesis, growth, and nutritional value of a tropical C4 grassland under field conditions is available here.
More information: email carlosamh@ffclrp.usp.br with professor Carlos Alberto Martinez y Huaman
*Intern supervised by Rita Stella
**Intern supervised by Moisés Dorado
English version: Nexus Traduções, edited by Denis Pacheco
Política de uso
A reprodução de matérias e fotografias é livre mediante a citação do Jornal da USP e do autor. No caso dos arquivos de áudio, deverão constar dos créditos a Rádio USP e, em sendo explicitados, os autores. Para uso de arquivos de vídeo, esses créditos deverão mencionar a TV USP e, caso estejam explicitados, os autores. Fotos devem ser creditadas como USP Imagens e o nome do fotógrafo.
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***Sugestões de tags: Agropecuária, Agricultura sustentável, Inoculação de bactérias , Aquecimento Global, Carlos Alberto Martinez y Huaman***
Técnica já conhecida e utilizada no meio agrícola brasileiro, principalmente na produção de soja, mostra-se eficaz na redução dos impactos do aquecimento atmosférico nas plantas. Trata-se do tratamento de sementes com bactérias promotoras de crescimento vegetal, usado para melhorar funções biológicas como fotossíntese e trocas gasosas.
A descoberta dos benefícios da técnica quanto ao aquecimento global, publicada na edição de março de 2025 na Science of The Total Environment, aconteceu durante experimento realizado com gramíneas forrageiras (plantas que servem como alimento animal) no campus da USP em Ribeirão Preto. Um dos responsáveis pelo estudo, o pesquisador Eduardo Habermann, do Departamento de Biologia da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP) da USP, afirma que a técnica é conhecida por melhorar a qualidade nutricional e a digestibilidade animal das pastagens, mas que esta é a primeira vez que se verifica os efeitos protetores contra o aquecimento atmosférico.
Segundo o pesquisador, a relação entre a redução de impactos prejudiciais do aquecimento e a inoculação de sementes com bactérias se dá por uma série de efeitos causados por essas bactérias, como o maior crescimento das raízes que proporciona às plantas uma melhor absorção de nutrientes e água. “Além disso, a inoculação estimula o sistema antioxidante das plantas, reduzindo o estresse oxidativo que ocorre sob altas temperaturas”, completa.
E a utilização das bactérias para o plantio é importante mesmo sem o contexto de maior aquecimento. Para o professor do Departamento de Biologia da FFCLRP e líder da equipe de pesquisa Carlos Alberto Martínez y Huaman, “nas condições atuais de temperatura, a simbiose estabelecida entre as plantas e as bactérias promotoras do crescimento vegetal proporciona vantagens, principalmente em relação à fixação do nitrogênio atmosférico, fundamental para o crescimento acelerado, já que o nitrogênio é componente essencial de aminoácidos, proteínas, clorofila e DNA. O resultado será uma planta mais vigorosa e produtiva ainda em situações de estresse hídrico e salinidade”, acrescenta Martínez.
Riscos à produção de alimentos
O grupo de pesquisa da FFCLRP realizou o experimento de campo por um ano no próprio campus da Universidade, inoculando as bactérias Azospirillum brasilense e Pseudomonas fluorescens, produzidas pela Embrapa Soja, em uma espécie de gramínea. Para representar o processo de aumento da temperatura atmosférica, utilizou um sistema de aquecimento ao ar livre chamado T-FACE, capaz de aumentar a temperatura das plantas em 2°C durante todo o tempo do estudo e ininterruptamente através de aquecedores infravermelhos.
O objetivo foi simular um cenário futuro de aquecimento global e investigar o que ocorreria com as plantas germinadas a partir da inoculação destas bactérias, uma vez que as altas temperaturas oferecem riscos à produção de alimentos, prejudicando a fotossíntese e acelerando o ciclo de vida das plantas. O ambiente criado pelo aquecimento global compromete “o enchimento dos grãos e a produtividade das lavouras e também reduzem a qualidade nutricional de plantas forrageiras”, lembra Habermann.
Pelas análises dos resultados do experimento, segundo os pesquisadores, foi possível verificar que o aquecimento diminui a eficiência da fotossíntese, aumenta a transpiração e o estresse hídrico e afeta negativamente a produção de biomassa, assim como a qualidade nutricional nas plantas. Apesar disso, a inoculação de microrganismos foi capaz de reverter essa situação, neutralizando por completo os impactos negativos do aquecimento.
Redução da emissão de óxido nitroso
Habermann destaca ainda a sustentabilidade da técnica de inoculação de bactérias promotoras de crescimento vegetal quando comparada aos fertilizantes utilizados amplamente nas atividades agropecuárias atualmente. Para o pesquisador, “a inoculação funciona como um processo complementar, que pode reduzir significativamente a necessidade do uso de fertilizantes químicos, principalmente os nitrogenados”.
Apesar de essenciais para a alta produtividade agrícola, o uso excessivo ou inadequado de fertilizantes representa um risco ao meio ambiente. O professor Martínez defende a substituição de fertilizantes por alternativas mais sustentáveis pela “contribuição significativa na mitigação das mudanças climáticas”. A redução da emissão de óxido nitroso, gás liberado após a aplicação de fertilizantes nitrogenados, “é uma necessidade urgente porque esse gás de efeito estufa tem um poder de aquecimento global 300 vezes maior que o dióxido de carbono”, alerta.
Aquecimento global e produção alimentícia
O Acordo de Paris é um tratado internacional sobre mudanças climáticas, envolvendo 195 países, com o principal objetivo de manter a temperatura global abaixo dos 2°C acima dos níveis pré-industriais e limitar seu aumento em até 1,5°C em comparação ao período pré-industrial até o final do século. No entanto, esse aumento da temperatura média global já foi atingido em 2024.
Além disso, segundo um relatório da Organização Meteorológica Mundial, uma agência da ONU, a temperatura média global na superfície, calculada anualmente entre 2025 e 2029, deverá ficar mais quente ainda do que o período pré-industrial. Esse fenômeno ameaça a produção alimentar já que, na agricultura, em função do período de desenvolvimento em que são afetadas pelas ondas de calor, “as plantas podem sofrer severos danos e a produção pode ficar totalmente perdida. Por exemplo, durante a polinização em cultivos, a perda na produção de grãos e sementes pode ser total”, informa Martinez.
Habermann completa destacando que as altas temperaturas também impactam a criação animal. “Na pecuária, o calor excessivo afeta o conforto térmico dos animais, reduzindo o consumo de alimento e sua produtividade. Além disso, diminui a qualidade nutricional da pastagem, o que compromete a digestibilidade do material vegetal e a obtenção de energia pelos animais.”
Fixação biológica de nitrogênio
Os bons resultados do uso das bactérias nas sementes de plantio alcançados no estudo abrem margem para novas possibilidades, tanto na área de pesquisa quanto na de produção alimentar brasileira. Habermann acredita que os pesquisadores agora devem investigar se o mesmo ocorre com outras espécies de gramíneas forrageiras como a Brachiaria Marandu, amplamente utilizada no Brasil.
“Considerando as enormes áreas agrícolas dedicadas no Brasil ao cultivo de pastagens e culturas agrícolas como cana-de-açúcar, milho e sorgo, por exemplo, se espera um grande impacto em termos econômicos pela substituição parcial de adubos nitrogenados pela fixação biológica de nitrogênio por bactérias promotoras do crescimento vegetal”, finaliza Martinez.
A pesquisa foi financiada pela FAPESP (Processo 2020/16359-1), dentro do Programa Fapesp de Pesquisa sobre Mudanças Climáticas Globais, e participaram pesquisadores de diversas instituições nacionais e internacionais, entre eles a pesquisadora Mariangela Hungria da Embrapa Soja, recentemente nomeada para o World Food Prize.
Mais informações: e-mail carlosamh@ffclrp.usp.br com o professor Carlos Alberto Martinez y Huaman
*Estagiário sob orientação de Rita Stella