Bragança Paulista - SP28-29 Novembro, 2013
"Monitoring the microbial diversity and functional activities in response to land-use changes and deforestation under soybean and sugarcane cultivations“
FAPESP Proc. 2008/58114-3
Siu Mui Tsai Eliana G.M. Macedo
[email protected] [email protected]
To integrate data from soil physics, chemistry, microbiology andbioinformatics in an effort to detect, quantify and correlate themicrobial processes involved in the C and N biogeochemical turnoverin soybean and sugarcane cultivations.
1
FAPESP - 1997• FAPESP – GENOME (ONSA)• FUNCTIONAL GENOMICS• AGRICULTURAL AND ENVIRONMENTAL GENOMES
Evolução da Ecologia Microbiana
Programas Especiais
PFPMCG Mudanças Climáticas Globais
Bioen (Be-Basic) Brasil/Holanda
Biota Microrganismos
2
Soil Structure
FORMAÇÃO
DECOMPOSIÇÃO
INSUMOS
EXPORTAÇÃO
Ciclos
Biogeoquímicos
Planta
Rizosfera
Bacteria Fungi
Microrganismos, Produção Vegetal e Qualidade do Solo
Bioinoculantes
Plantio Direto
Manejo Integrado
CO2
N2O
CH4
Estrutura
Solo
Archaea3
The multidimensional approach for microbial diversity assessment in soils
Bonhannan. Nüsslein e Rodrigues, 2012
4
Análises Multivariadas:
PCA; RDA; CA
CCA;NMDS
Riqueza
Diagramas de Venn
UTO’s dominantes
Gráficos de
Abundância
Análises Multivariadas:PCA; NMDS
Análise de Similaridade:ANOSIM
Análises de Diversidade:Diversidade, Riqueza, Equitabilidade
Análises univariadas:
ANOVA
The Ex Ante Carbon-balance Tool
PREDIÇÃO de Balanço de CO2 equivalente
Análise de bibliotecas de clones
Univariada;
Multivariada;
ModelosGLM; etc.
Análise de sequênciasgeradas em larga escala(NGS)
Integração de dados de redes neurais
Análise de perfismetagenômicos
5
Comunidades bacterianas em pastagem foram significativamentemaiores em diversidade alfa que em floresta
Diversidade beta foi significativamente menor em solos depastagem (espacial) 6
7
Navarrete et al., 2011
Land-use changes in Amazonia Landscape approach
• Floresta (1ª e 2ª)• Agricultura (Cassava)• Pastagem 8
Riqueza de UTOs (Unidades) de Archaea
17,90 13,40 11,75 16,10
Floresta 1a Floresta 2a Agricultura Pastagem
Riq
uez
a d
e am
plic
on
s
Média →
9
ANÁLISE FILOGENÉTICA – SISTEMAS DE USO DE TERRA
DQ
53
47
03
-SO
DQ148640-SM
0.05
Sequências referência- Francis et al., 2005- Park et al., 2006
Método – Neighbor-JoiningDistância – Jukes-CantorMatriz PAM (Dayhoff)
Floresta Primária
Cultivo Agrícola Tradicional
Pastagem
Floresta Secundária
10
Brazilian Amazon
Sampling sites
Forest
Cropland
October 2009
April 2010
Forest Cropland Forest Cropland
Soybean rhizosphere
Soybean rhizosphere
Porto dos Gaúchos municipality
Ipiranga do Norte municipality
BS-F1
BS-F2 BS-C2
BS-C1 SR-I
SR-II BS-F3
BS-F4 BS-C4
BS-C3 SR-III
SR-IV
2013
11
Verrucomicrobia
T-RFLP
Validação de Bio-Indicadores
Bio-indicadores Taxonômicos
(nível sub-divisão)
Navarrete et al. (2012) ISME14
Verrucomicrobia
Sítios de Áreas Desmatadas
Sítios de Áreas de Floresta
12
Acidobacteria subgroup 1
13
The existing co-occurrance of microbes and their inter-relationships
Barberán et al., 2011
14
Deforestedsoil
Forestsoil
A
DNAreplica on
DNArepair(P=0.003)
(P=0.004)
Deforestedsoil
Forestsoil
Proteinbiosynthesis
Proteindegrada on
Proteinfolding
Proteinprocessingandmodifica on
B
(P=0.002)
(P=0.002)
(P=0.003)
(P=0.004)
DNA metabolism Protein metabolism
(in preparation) Taxonomic Functional
Fore
stD
efo
rest
ed
15
Bacteria-bacteria-soil interactions Forested network
Bacteria-bacteria-soil interactions Deforested network
16
Desmatado
50 nós117 assoaciações0.456 modularidade
43 nós93 assoaciações0.597 modularidade
Rede de associação bactéria-bactéria-solo
Floresta
17
18
FLORESTA
DESMATADO
30 nós23 assoaciações0.746 modularidade
51 nós82 assoaciações0.593 modularidade
Rede de associação função-função-solo
19
_floresta_ _desmatado_
_agricultura - soja_ _pastagem_
Mendes et al. (em preparação)
Análises Taxonômica e Funcional de Comunidades Microbianas - SUTs
20
Proteobacteria Acidobacteria Verrucomicrobia
Floresta
Desmatado | Agricultura | Pastagem
Firmicutes Chloroflexi Bacteroidetes
Legenda: Floresta Desmatado Agricultura Pastagem
Mendes et al. (em preparação)
Abundância de filos taxonômicos
21
[ Floresta ] [ Desmatado | Agricultura | Pastagem ]
Mendes et al. (em preparação)
Abundância de categorias funcionais
22
Análise de Diversidade
Mendes et al. (em preparação)23
Análise de Network
[ Floresta ] [ Agricultura ] [ Pastagem ]
Mendes et al. (em preparação)
24
CerradoPlantio Direto
Solo2011/2012/2013
qPCRIllumina MiSeq
Genes Funcionais
Convencional
SolonorBNO
N2O
nosZ
N2
INTEGRAÇÃO LAVOURA-PECUÁRIA (SISTEMA ABC)Clóvis Borges e Dennis Goss - DR
Floresta
CH4
CH4
pmoA mcrA
Consumo
Emissão
Genes Funcionais
25
INTEGRAÇÃO LAVOURA-PECUÁRIA (SISTEMA ABC)Clóvis Borges - DR
26
Treatments
N0: no amendments
N60: 60 Kg ha-1 N (urea)
Straw: 10 t ha-1 sugarcane straw (variety CTC-2)
Vinasse: 120 m3 ha-1
- 150 Kg ha-1 P2O5 and K2O (all treatments)
- Plants: CTC-2 sugarcane variety
A Model System for Sugarcane StudiesAcácio Navarrete - PD
27
A Model System for Sugarcane Studies
Germination & Establishment
phase
Tilleringphase
Grand Growth period
T0 T7 T14
T90
T150 T157T210
T217
Fertilization I Fertilization II Fertilization III
28
0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
1000,0
1200,00
1.0
4
03
.04
09
.04
11
.04
13
.04
15
.04
17
.04
19
.04
21
.04
23
.04
25
.04
27
.04
29
.04
02
.05
05
.05
09
.05
15
.05
20
.05
04
.06
19
.08
25
.08
28
.08
06
.09
10
.09
20
.09
22
.09
24
.09
26
.09
28
.09
30
.09
02
.10
04
.10
06
.10
08
.10
11
.10
15
.10
Mean fluxes of CO2
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0
Fertilization I Fertilization II
CO
2-C
(g
m–2
h–1
)
T0 T7 T14 T90
T150
T157 T200Soil sampling (time in days)
0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
1000,0
1200,0
01.04
03.04
09.04
11.04
13.04
15.04
17.04
19.04
21.04
23.04
25.04
27.04
29.04
02.05
05.05
09.05
15.05
20.05
04.06
19.08
25.08
28.08
06.09
10.09
20.09
22.09
24.09
26.09
28.09
30.09
02.10
04.10
06.10
08.10
11.10
15.10
N0
NO+Straw
N60
N60+Straw
N60+Vinasse
N60+Straw+Vinasse
…
29
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
4/1/13 5/1/13 6/1/13 7/1/13 8/1/13 9/1/13 10/1/13
0,0
200,0
400,0
600,0
800,0
1000,0
1200,0
01.04
03.04
09.04
11.04
13.04
15.04
17.04
19.04
21.04
23.04
25.04
27.04
29.04
02.05
05.05
09.05
15.05
20.05
04.06
19.08
25.08
28.08
06.09
10.09
20.09
22.09
24.09
26.09
28.09
30.09
02.10
04.10
06.10
08.10
11.10
15.10
N0
NO+Straw
N60
N60+Straw
N60+Vinasse
N60+Straw+Vinasse
Fertilization I Fertilization II
N2O
-N(m
g m
–2h–1
)
T0 T7 T14 T90T150
T157 T200Soil sampling (time in days)
18
16
14
12
10
8
6
4
2
Mean fluxes of N2O
30
Análise Funcional dos Processos BiológicosFabiana Cannavan - PD
Geochip V.4
31
Colaboração – Nacional e Internacional
• Siu Mui Tsai• Carlos Cerri• Brigitte Feigl
• Acacio Navarrete, Fabiana Cannavan
• Lucas Mendes, Clovis Borges, Dennis Goss
• Caio Yoshiura, Marcela Arnaldo, Andressa Venturini
• Heitor Cantarella• Raffaella Rossetto
• Eliana Lemos• Newton La Scala Jr.
• Lucia Carareto
• Eliamar Pedrinho
• Eiko Kuramae
• Hans van Veen• Wim van der Putten
• Paul Bodelier
•Karoline Faust
• Brendan Bonhannan – UO
• Klaus Nusslein – UMAS
• Jorge Rodrigues – UTA
• Z. Zhou - OSU
EUA
Holanda
32
• Fábio Mercante• Michelle Tomazzi
EMBRAPA CPAO