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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.64.2020.tde-26042023-160718
Document
Author
Full name
Miriam Gonçalves de Chaves
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2020
Supervisor
Committee
Navarrete, Acacio Aparecido (President)
Kasuya, Maria Catarina Megumi
Rossetto, Raffaella
Souza, Jackson Antonio Marcondes de
Title in English
Multianalytical approach in the study of the composition and functionality of the microbiota associated with carbon and nitrogen cycles in soils under preserved and disturbed environments
Keywords in English
Acidobacteria
Amazon rain forest
Archaea
Carbon degradation
Co-occurence
GeoChip v.5.0M
High-throughput DNA sequencing
Nitrogen fertilizer
Soil
Vinasse
Abstract in English
The implementation of different agricultural management practices and land use systems promote physicochemical changes in soil associated with loss of nitrogen (N) and carbon (C) from soil and greenhouse gases (GHG) emission. In Brazil, the expansion of sugarcane production and land use changes can affect microbial groups that play essential roles in biogeochemical cycles of N and C. This thesis focused on the microbial community structure, composition, and functions associated with the N and C cycling on sugarcane-cultivated soil and soils under different land use in the Brazilian Amazon. Using a culture-independent approach based on high-throughput DNA sequencing and microarray technology, this thesis is composed by three chapters: the first and the second chapters encompass studies applying GeoChip v.5.0M microarray technology to investigate N and C functional genes as potential bioindicators of vinasse organic residue in combination with N mineral fertilizer in archaeal and acidobacterial communities inhabiting sugarcane-cultivated soil. In the third chapter, the co-occurrence of archaeal taxonomic groups was evaluated in primary and secondary forests, agricultural and cattle pasture soils in the Brazilian Amazon based on high-throughput amplicon sequencing and qPCR of the 16S rRNA gene. Our results in sugarcane-cultivated soil revealed that 87% of genes families associated with N metabolism from soil microbiota were responsive to vinasse with N fertilizer in 7 first days after application. The main gene families responsives were related to processes of nitrification (amoA and hao), ammonification (gdh and ureC), and denitrification (p450nor). The potential O2 decrease and the increase of K and P due vinasse addition can promote the growth of halophile Archaea (Natronomonas) and N2O reducing bacteria (Anaeromyxobacter), but also decrease ammonia oxidizer bacteria (AOB). Regarding the Acidobacteria, subgroups Gp13 and Gp18 revealed positive correlations with the C gene families associated with degradation, especially hemicellulose, but low abundance in vinasse presence. On the other hand, Gp4 was the most abundant acidobacterial subgroup in the vinasse treatment but was not associated with C gene families. This soil management practice can reduce the total Acidobacteria abundance, including that potentially involved with C degradation in sugarcane crops. The co-occurrence of archaeal classes analysis revealed that forest to pasture or agriculture conversion in Amazonian may reduce the syntropy between groups, an important strategy from Archaea to get energy and can promote the reduction of key groups related to N metabolism as ammonia oxidizer Archaea (AOA). These findings of the microbial functionality associated with N and C cycle in tropical soils can support public policy to mitigate N losses in sustainable agroecosystems
Title in Portuguese
Abordagem multianalítica no estudo da composição e funcionalidade da microbiota associada aos ciclos do carbono e nitrogênio em solos sob ambientes preservados e perturbados
Keywords in Portuguese
Acidobacteria
Amazônia
Archaea
Co-ocorrência
Degradação de carbono
Fertilizante nitrogenado
GeoChip v.5.0M
Seqüenciamento de DNA de alto rendimento
Solo
Vinhaça
Abstract in Portuguese
A implantação de diferentes sistemas de uso da terra e de práticas de manejo na agricultura promovem mudanças físico-químicas no solo associadas com perdas de nitrogênio (N) e carbono (C) provenientes da emissão de gases de efeito estufa (GEE). No Brasil, a expansão da produção da cana-de-açúcar e dos diferentes usos da terra podem afetar grupos microbianos que atuam nos ciclos biogeoquímicos do N e do C. Essa tese aborda a estrutura, composição e funções de comunidades microbiana associadas com os ciclos do N e do C em solos sob cultivo de cana-de-açúcar e sob diferentes usos da terra na Amazônia brasileira. Usando metodologia independente de cultivo, com base em sequenciamento de DNA de alto rendimento e tecnologia de microarranjo de DNA, essa tese está organizada em três capítulos: no primeiro e no segundo capítulos foi utilizada a versão de microarranjo GeoChip 5.0.M para investigar genes funcionais associados ao metabolismo de N e C como potenciais bioindicadores do uso combinado de vinhaça, um subproduto da produção de etanol, em combinação com fertilizante N mineral em comunidades de Archaea e de Acidobacteria que habitam o solo cultivado com cana-de-açúcar. No terceiro capítulo, foi avaliada a co-ocorrência entre grupos de Archaea em florestas primária e secundária, em solos agrícolas e em pastagens na Amazônia brasileira utilizando a técnica de PCR quantitativo em tempo real (qPCR) e sequenciamento de amplicon do gene 16S rRNA. Nossos resultados com cultivo de cana-de-açúcar sob adição de vinhaça e do fertilizante nitrogenado revelaram que 87% das famílias gênicas associadas com o metabolismo de N provenientes da microbiota do solo foram responsivas aos 7 dias após a aplicação. As principais famílias gênicas responsivas estão relacionadas aos processos de nitrificação (amoA e hao), amonificação (gdh e ureC) e denitrificação (p450nor). A possível redução na disponibilidade de O2 e o aumento de K e P no solo devido a adição da vinhaça podem promover o crescimento de Archaea halophilas (Natronomonas) e bactérias redutoras de N2O (Anaeromyxobacter), e reduzir AOB (bactéria oxidadora de amônia). Os subgrupos Gp13 e Gp18 de Acidobacteria foram correlacionados com famílias gênicas relacionadas com a degradação de C, principalmente hemicelulose. Entretanto, apresentaram baixa abundância no tratamento com vinhaça. O subgrupo Gp4 foi o mais abundante no tratamento com vinhaça, mas não foi correlacionado às famílias gênicas de C. Essa prática de manejo do solo pode reduzir a abundância de Acidobacteria total, incluindo aquelas potencialmente envolvidas com a degradação de C em culturas de cana-de-açúcar. Os estudos realizados nessa tese contribuem com informações sobre a dinâmica funcional da microbiota ativa nos ciclos biogeoquímicos do N e C, orientando políticas públicas que visam a redução de perdas de N e C em agroecossistemas
 
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Publishing Date
2023-05-24
 
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