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Doctoral Thesis
Document
Author
Full name
Lucas Palma Perez Braga
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2017
Supervisor
Committee
Mui, Tsai Siu (President)
Fiore, Marli de Fatima
Melo, Itamar Soares de
Merzel, Valéria Maia
Verdi, Maria Carolina Quecine
Title in English
Disentangling the influence of earthworms on microbial communities in sugarcane rhizosphere
Keywords in English
Microbial ecology
N2O
Soil metagenomics
Soil resistome
Abstract in English
For the last 150 years many studies have shown the importance of earthworms for plant growth, but the exact mechanisms involved in the process are still poorly understood. Many important functions required for plant growth can be performed by soil microbes in the rhizosphere. To investigate earthworm influence on the rhizosphere microbial community, it was performed a macrocosm experiment with and without Pontoscolex corethrurus (EW+ and EW-, respectively) and followed various soil and rhizosphere processes for 217 days with sugarcane. In the second chapter of this thesis it was demonstrate that in EW+ treatments, N2O concentrations belowground (15 cm depth) and relative abundances of nitrous oxide genes (nosZ) were higher in bulk soil and rhizosphere, suggesting that soil microbes were able to consume earthworm-induced N2O. Shotgun sequencing (total DNA) revealed that around 70 microbial functions in bulk soil and rhizosphere differed between EW+ and EW- treatments. Overall, genes indicative of biosynthetic pathways and cell proliferation processes were enriched in EW+ treatments, suggesting a positive influence of worms. In EW+ rhizosphere, functions associated with plant-microbe symbiosis were enriched relative to EW- rhizosphere. Ecological networks inferred from the datasets revealed decreased niche diversification and increased keystone functions as an earthworm-derived effect. Plant biomass was improved in EW+ and worm population proliferated. Considering that earthworms contributed to with extra resources, it was evaluated in chapter three response of the soil resistome of sugarcane macrocosms under the influence of earthworms. Mechanisms of resistance against antimicrobial compounds appear to be an obligatory feature for the ecology and evolution of prokaryotic forms of life. However, most studies on resistance dynamics have been conducted in artificial conditions of anthropogenic inputs of antibiotics into very specific communities such as animal microbiomes. To resolve why and how resistance evolves, it is important to track antibiotics resistance genes (ARGs) (i.e., the resistome) in their natural hosts and understand their ecophysiological role in the environment. The results demonstrated that earthworms influenced changes of ARGs in bulk soil and rhizosphere. Negative correlations between ARGs and taxonomical changes were increased in EW+. Differential betweenness centrality (DBC=nBCEW+ - nBCEW-) values comparing the network models with and without earthworms showed earthworm presence changed the composition and the importance of the keystone members from the models. Redundancy analysis suggested that ARGs may be associated with microbial fitness, as the variance of relative abundance of members of the group Rhizobiales could be significantly explained by the variance of a specific gene responsible for one mechanism of tetracycline detoxification
Title in Portuguese
Desvendando a influência de minhocas na comunidade microbiana de rizosfera de cana-de-açúcar
Keywords in Portuguese
Ecologia microbiana
Metagenoma de solo
N2O
Resistoma do solo
Abstract in Portuguese
Ao longo dos últimos 150 anos muitos estudos têm demonstrado a importância das minhocas para o crescimento de plantas. Porém o exato mecanismo envolvido neste processo ainda é muito pouco compreendido. Muitas funções importantes necessárias para o crescimento de plantas podem ser realizadas pela comunidade microbiana da rizosfera. Para investigar a influência das minhocas na comunidade microbiana da rizosfera, foi desenvolvido um experimento de macrocosmo com cana-de-açúcar com e sem Pontoscolex corethrurus (EW+ e EW-, respectivamente) seguindo diversos procedimentos por 217 dias. No Segundo capítulo da tese é demonstrado que no tratamento EW+, as concentrações de N2O dentro do solo (15 cm profundidade) e a abundância relativa dos genes óxido nitroso redutase (nosZ) foram elevadas no solo e na rizosfera, sugerindo que microrganismos do solo foram capazes de consumir a emissão de N2O induzida pelas minhocas. O sequenciamento do DNA total revelou que aproximadamente 70 funções microbianas no solo e na rizosfera apresentaram diferenças entre os tratamentos EW+ e EW-. No geral, genes associados a biossíntese e proliferação de células foram enriquecidos em EW+, sugerindo uma influencia positiva por parte das minhocas. Na rizosfera EW+, funções associadas a simbiose entre planta e microrganismos foram relativamente enriquecidas comparado com rizosfera EW-. Modelos de rede de interação ecológica revelam menor número de diversificação de nichos e aumento de funções importantes como um efeito derivado da influência das minhocas. A biomassa das plantas foi aumentada no tratamento EW+ e a população de minhocas proliferou. Considerando que as minhocas contribuíram com o aumento de nutrientes, foi avaliado no capítulo três a resposta do resistoma presente nas comunidades microbianas dos solos do experimento. Mecanismos de resistência contra compostos antimicrobianos parecem ser características obrigatórias para a ecologia e evolução de procariotos. Entretanto, a maior parte dos estudos sobre genes de resistência tem sido conduzida em condições artificiais utilizando fontes antropogênicas de antibióticos em comunidades microbianas muito específicas como por exemplo o microbioma animal. Para resolver por que e como a resistência evolui, é importante estudar genes de resistência a antibióticos (GRA) (i.e., resistoma) no seu ambiente natural e entender seu papel ecofisiologico no ambiente. Os resultados demonstraram que minhocas influenciaram a mudança na composição de GRA no solo e na rizosfera. Tratamentos EW+ apresentaram maior número de correlações negativas entre ARG e grupos taxonômicos. A medida de centralidade diferencial (DBC=nBCEW+ - nBCEW-) comparando os modelos de rede de interações obtidos mostrou que a composição e o nível de importância dos indivíduos mais influentes é alterado nos tratamentos EW+ comparado com EW-. Além disso, por meio de uma análise de redundância (RDA) foi demonstrado que as alterações na abundancia relativa de GRA podem ser explicadas pelas alterações verificadas em grupos taxonômicos
 
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Publishing Date
2017-06-06
 
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