Metagenômica taxonômica e funcional em solos agrícolas do norte do Paraná e do Distrito Federal

Abstract

Resumo: O Brasil é um país, em grande parte, sustentado pela agricultura, que ocupa milhões de hectares no território nacional, onde a região do Cerrado representa a principal cultivada e a região sul a mais antiga em cultivo. A introdução da agricultura causa perturbação do solo, resultando em diferenças em relação aos solos nativos; contudo, existem manejos com menor ou maior grau de alteração, como o plantio direto (PD) e o plantio convencional (PC), respectivamente. No entanto, ainda existem poucas informações sobre os impactos causados nas comunidades microbianas por diferentes manejos do solo e das culturas, que agora podem ser reveladas pelo uso de novas tecnologias, como a metagenômica, que detecta microrganismos independe do seu cultivo em meios de cultura. Neste trabalho, foram estudadas duas regiões agrícolas do Brasil: uma no norte do Paraná, Região Sul, e outra nos Cerrados, no Distrito Federal. A partir do solo amostrado em cada região, o DNA foi extraído e sequenciado, resultando em milhões de sequências em cada estudo. Para as análises taxonômicas e funcionais as sequências foram submetidas ao servidor online MG-RAST e para as análises estatísticas foram submetidas ao programa STAMP. Nos solos do Norte do Paraná, os dados metagenômicos entre diferentes manejos de solo (PD e PC), e das culturas (rotação e sucessão) foram comparados, e foram constatadas diferenças consideráveis na diversidade taxonômica, mas de menor magnitude na diversidade funcional, indicativo de redundância de vias metabólicas. Os solos sob PD apresentaram maior quantidade de sequências de metabolismo de compostos aromáticos, que podem auxiliar na degradação de pesticidas, enquanto que solos sob PC apresentaram grande quantidade de sequências de metabolismo de carboidratos, que podem estar relacionada à menor oferta de nutrientes nesse solo. No Distrito Federal, os dados dos solos agrícolas foram comparados com uma área nativa do Cerrado, identificando se a predominância de algumas ordens bacterianas, tais como, Rhizobiales e Burkholderiales, em solos agrícolas (PD e PC), em comparação com solos nativos do Cerrado, os quais apresentaram maior abundância dos gêneros Rhizobium, Azospirillum, Xanthomonas, Pseudomonas e Acidobacterium. O Cerrado também apresentou maior diversidade de subsistemas funcionais. Os resultados obtidos neste estudo indicam que a introdução da agricultura em uma área nativa, e o uso de manejos do solo menos conservacionistas provocam profundo impacto principalmente na diversidade taxonômica dos microrganismos do solo.

Abstract: Brazil is a country largely sustained by agriculture, which occupies millions of hectares, with the Cerrado representing the main cropping region and the southern region the most traditional. Agriculture introduction causes soil disturbance, resulting in differences in relation to the native soil; however, there are managements with greater or lesser degree of disturbance, such as no-tillage (NT) and conventional tillage (CT), respectively. However, there is still little information about impacts on soil microbial communities by different soil and agricultural managements, which can now be revealed with the use of new technologies, such as the metagenomics, which allows the detection of microorganism independently of their growth in culture media. In this thesis, we studied two agricultural regions in Brazil, one in the north of Paraná, southern Brazil and the other in the Federal District, in the Cerrado biome. The soil was collected from each region, DNA was extracted and sequenced, resulting in millions of sequences in each study. For taxonomic and functional analyzes sequences were submitted to the online server MG-RAST and for statistical analyzes the data were submitted to the STAMP program. In Paraná's soils, different soil (NT and CT) and crop (rotation and sucession) managements were compared and significant differences were observed in taxonomic diversity, but lower in magnitude on the functional analysis, indicating metabolic redundancy. The soils under NT were more abundant in sequences of the aromatic compounds metabolism, that could help in pesticide degradation, while soils under CT showed higher abundance of sequences of the carbohydrate metabolism, which might be related to the lower supply of nutrients. In the Cerrado, we compared the population of cropped soils with an undisturbed soil covered with native vegetation. We identified higher abundance of some bacterial orders, such as Rhizobiales and Burkholderiales in agricultural soils (NT and CT), while the native Cerrado showed greater abundance of Rhizobium, Azospirillum, Xanthomonas, Pseudomonas and Acidobacterium genus. The undisturbed Cerrado was also more abundant in the variety of functional subsystems. The results obtained in our study shown that the introduction of agriculture and the use of less conservationists practices deeply affect soil microbial community, especially the taxonomic diversity.