Elementos Integrativos e Conjugativos de interesse agrícola: implicações para as interações bactéria-planta

Abstract

Os ICEs – elementos integrativos e conjugativos – são elementos genéticos móveis autotransmissíveis amplamente distribuídos em genomas bacterianos, desempenhando papel central na transferência horizontal de genes e impulsionando a evolução das linhagens. Por permanecerem integrados ao cromossomo e, ao mesmo tempo, manterem capacidade de excisão e transferência por conjugação, esses elementos combinam estabilidade vertical e disseminação horizontal, influenciando profundamente a adaptação bacteriana. Frequentemente classificados de forma genérica como ilhas genômicas, ilhas de patogenicidade ou ilhas simbióticas, os ICEs carregam genes acessórios capazes de alterar o estilo de vida e o papel ecológico de seus hospedeiros. No contexto agrícola, essa dinâmica é particularmente relevante, pois pode tanto favorecer o surgimento de fitopatógenos quanto promover a aquisição de características benéficas associadas ao crescimento vegetal. No primeiro capítulo, foi realizada uma revisão de literatura sobre a biologia dos ICEs, abordando sua estrutura, mecanismos de integração, excisão e transferência, sistemas regulatórios e diversidade funcional dos genes cargo. Foram discutidas as implicações desses elementos nas interações planta- bactéria, enfatizando seu papel dualístico na promoção de crescimento vegetal e na patogenicidade, bem como as potenciais aplicações do engenheiramento de ICEs para agricultura sustentável. No segundo capítulo, investigou-se a diversidade, prevalência e conteúdo funcional de ICEs em 775 genomas de rizóbios disponíveis em bases de dados públicas. Foram identificados 355 elementos, dos quais 89% (317) correspondem a sequências não descritas previamente, cuja distribuição se mostrou restrita dentro de cada gênero, embora não limitada geograficamente. Observou-se que Bradyrhizobium e Mesorhizobium possuem as maiores prevalências de ICEs, e padrões de agrupamento de táxons que indicam tanto conservação evolutiva quanto diversificação funcional. A análise do conteúdo gênico revelou que, além dos clássicos genes de nodulação e fixação de nitrogênio, diversos ICEs codificam outros traços de promoção de crescimento vegetal, como produção de sideróforos, exopolissacarídeos e genes relacionados à adaptação a estresses, incluindo resistência a metais pesados e degradação de xenobióticos. Os resultados demonstram que os ICEs representam um componente significativo do mobiloma rizobial e podem estar diretamente associados à eficiência de linhagens utilizadas como inoculantes agrícolas. Ao mesmo tempo, evidenciam que o potencial funcional desses elementos encontra-se parcialmente compartimentalizado entre gêneros. Assim, este trabalho mapeia um conjunto inexplorado de ICEs em rizóbios e reforça o papel desses elementos como moduladores ecológicos das interações planta-bactéria e destaca seu potencial biotecnológico, ao mesmo tempo em que chama atenção para a necessidade de compreender os riscos ecológicos associados à sua disseminação no ambiente. Palavras-chave: ICE; transferência horizontal de genes; interação plantamicrorganismo; promoção de crescimento vegetal.

Integrative and conjugative elements (ICEs) are self-transmissible mobile genetic elements widely distributed across bacterial genomes, playing a central role in horizontal gene transfer and driving strains evolution. By remaining integrated into the chromosome while retaining the ability to excise and transfer via conjugation, these elements combine vertical stability with horizontal dissemination, deeply influencing bacterial adaptation. Often classified as genomic islands, pathogenicity islands, or symbiotic islands, ICEs carry accessory genes capable of altering the lifestyle and ecological role of their hosts. In the agricultural context, this dynamic is particularly relevant, as it may both facilitate the emergence of phytopathogens and promote the acquisition of beneficial traits associated with plant growth. In the first chapter, a literature review was conducted on the biology of ICEs, addressing their modular structure, mechanisms of integration, excision, and transfer, regulatory systems, and the functional diversity of cargo genes. The implications of these elements in plant–bacterium interactions were discussed, emphasizing their dual role in plant growth promotion and pathogenicity, as well as the potential applications of ICE engineering for sustainable agriculture. In the second chapter, the diversity, prevalence, and functional content of ICEs were investigated in 775 rhizobial genomes available in public databases. A total of 355 non redundant elements were identified, 317 of which represent previously undescribed sequences, whose distribution appeared to be restricted within each genus, although not geographically constrained. The highest prevalence of ICEs was observed in Bradyrhizobium and Mesorhizobium, along with clustering patterns indicating both evolutionary conservation and functional diversification. Analysis of gene content revealed that, in addition to the classical nodulation and nitrogen fixation genes, several ICEs encode other plant growth–promoting traits, such as siderophore production, exopolysaccharide synthesis, and genes related to stress adaptation, including heavy metal resistance and xenobiotic degradation. These findings demonstrate that ICEs constitute a significant component of the rhizobial mobilome and may be directly associated with the efficiency of strains used as agricultural inoculants. At the same time, they indicate that the functional potential of these elements is partially compartmentalized among genera. Overall, this work reinforces the role of ICEs as ecological modulators of plant–microorganism interactions and highlights their biotechnological potential, while underscoring the need to better understand the ecological risks associated with their dissemination in the environment. Keywords: ICE; horizontal gene transfer; plant–microorganism interaction; plant growth promotion.