Bragança Paulista - SP Novembro, 2013

(1)

Bragança Paulista - SP 28-29 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

To integrate data from soil physics, chemistry, microbiology and

bioinformatics in an effort to detect, quantify and correlate the

microbial processes involved in the C and N biogeochemical turnover

in soybean and sugarcane cultivations.

(2)

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

(3)

Soil Structure FORMAÇÃO DECOMPOSIÇÃO INSUMOS EXPORTAÇÃO Ciclos Biogeoquímicos Planta Rizosfera Bacteria _Fungi

Microrganismos, Produção Vegetal e Qualidade do Solo

Bioinoculantes Plantio Direto Manejo Integrado

CO

₂

N

₂

O

CH

₄ Estrutura Solo Archaea

(4)

The multidimensional approach for microbial diversity assessment in soils

Bonhannan. Nüsslein e Rodrigues, 2012

(5)

 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;  Modelos GLM; etc.  Análise de sequências

geradas em larga escala (NGS)

 Integração de dados

de redes neurais

Análise de perfis

(6)

Comunidades bacterianas em pastagem foram significativamente maiores em diversidade alfa que em floresta

Diversidade beta foi significativamente menor em solos de

(7)

(8)

Navarrete et al., 2011

Land-use changes in Amazonia

Landscape approach

• Floresta (1ª _{e 2}ª₎

• Agricultura (Cassava)

(9)

Riqueza de UTOs (Unidades) de Archaea

17,90

13,40

11,75

16,10

Floresta 1

a

_{Floresta 2}

a

_Agricultura

_Pastagem

Riqu ez a d e amp lic on s Média →

(10)

ANÁLISE FILOGENÉTICA – SISTEMAS DE USO DE TERRA

DQ 5 3 4 7 0 3 -SO DQ148640-SM 0.05 Sequências referência - Francis et al., 2005 - Park et al., 2006 Método – Neighbor-Joining Distância – Jukes-Cantor

Matriz PAM (Dayhoff)

Floresta Primária

Cultivo Agrícola Tradicional Pastagem

Floresta Secundária

(11)

Brazilian Amazon Sampling sites Forest Cropland October 2009 April 2010 Forest Cropland Forest Cropland

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

(12)

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

(13)

(14)

The existing co-occurrance of microbes and their inter-relationships

Barberán et al., 2011

(15)

Fo re st so il A DNA replica on DNA repair (P=0.003) (P=0.004) Fo re st so il Protein biosynthesis Protein degrada on Protein folding Protein processing and modifica on

B

(P=0.002)

(P=0.003)

(P=0.004)

DNA metabolism Protein metabolism

(in preparation) _Taxonomic _Functional

For es t D ef ores te d 15

(16)

Bacteria-bacteria-soil interactions Forested network

Bacteria-bacteria-soil interactions Deforested network

(17)

Desmatado

50 nós 117 assoaciações 0.456 modularidade 43 nós 93 assoaciações 0.597 modularidade

Rede de associação bactéria-bactéria-solo

(18)

(19)

FLORESTA

DESMATADO

30 nós 23 assoaciações 0.746 modularidade 51 nós 82 assoaciações 0.593 modularidade

(20)

_

floresta

_

desmatado

_

agricultura - soja

_

pastagem

_

Mendes et al. (em preparação)

Análises Taxonômica e Funcional de Comunidades Microbianas - SUTs

(21)

Proteobacteria Acidobacteria Verrucomicrobia

Floresta

Desmatado | Agricultura | Pastagem

Firmicutes _Chloroflexi Bacteroidetes

Legenda: Floresta Desmatado Agricultura Pastagem

Abundância de filos taxonômicos

(22)

[

Floresta

]

[

Desmatado | Agricultura | Pastagem

]

Abundância de categorias funcionais

(23)

Análise de Diversidade

(24)

Análise de Network

[

Floresta

]

_[

_Agricultura

_]

_[

_Pastagem

_]

(25)

Cerrado

Plantio Direto

Solo

2011/2012/2013

qPCR

Illumina MiSeq

Genes Funcionais

Convencional

Solo

norB

NO

N

₂

O

nosZ

N

₂

INTEGRAÇÃO LAVOURA-PECUÁRIA (SISTEMA ABC)

Clóvis Borges e Dennis Goss - DR

Floresta

CH₄ CH₄ pmoA mcrA Consumo Emissão Genes Funcionais

(26)

INTEGRAÇÃO LAVOURA-PECUÁRIA (SISTEMA ABC)

Clóvis Borges - DR

(27)

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_P

2O5 and K2O (all treatments)

- Plants: CTC-2 sugarcane variety

A Model System for Sugarcane Studies

(28)

A Model System for Sugarcane Studies

Germination & Establishment

phase

Tillering

phase Grand Growth _period T0 T7 T14

T90

T150 T157

T210

T217

Fertilization I Fertilization II Fertilization III

(29)

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

Mean fluxes of CO

₂ 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 ) T0T7 T14 T90 T150 T157 T200

Soil sampling (time in days)

0,0 200,0 400,0 600,0 800,0 1000,0 1200,0 0 1 .0 4 0 3 .0 4 0 9 .0 4 1 1 .0 4 1 3 .0 4 1 5 .0 4 1 7 .0 4 1 9 .0 4 2 1 .0 4 2 3 .0 4 2 5 .0 4 2 7 .0 4 2 9 .0 4 0 2 .0 5 0 5 .0 5 0 9 .0 5 1 5 .0 5 2 0 .0 5 0 4 .0 6 1 9 .0 8 2 5 .0 8 2 8 .0 8 0 6 .0 9 1 0 .0 9 2 0 .0 9 2 2 .0 9 2 4 .0 9 2 6 .0 9 2 8 .0 9 3 0 .0 9 0 2 .1 0 0 4 .1 0 0 6 .1 0 0 8 .1 0 1 1 .1 0 1 5 .1 0 N0 NO+Straw N60 N60+Straw N60+Vinasse N60+Straw+Vinasse

…

29

(30)

-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 .0 4 03 .0 4 09 .0 4 11 .0 4 13 .0 4 15 .0 4 17 .0 4 19 .0 4 21 .0 4 23 .0 4 25 .0 4 27 .0 4 29 .0 4 02 .0 5 05 .0 5 09 .0 5 15 .0 5 20 .0 5 04 .0 6 19 .0 8 25 .0 8 28 .0 8 06 .0 9 10 .0 9 20 .0 9 22 .0 9 24 .0 9 26 .0 9 28 .0 9 30 .0 9 02 .1 0 04 .1 0 06 .1 0 08 .1 0 11 .1 0 15 .1 0 N0 NO+Straw N60 N60+Straw N60+Vinasse N60+Straw+Vinasse Fertilization I Fertilization II N 2 O -N (mg m – 2 h – 1 ) T0T7 T14 T90 T150 T157 T200

Soil sampling (time in days) 18 16 14 12 10 8 6 4 2

Mean fluxes of N

₂

O

30

(31)

Análise Funcional dos Processos Biológicos

Fabiana Cannavan - PD

(32)

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

Bragança Paulista - SP Novembro, 2013

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Monitoring the microbial diversity and functional activities in response to land-use

changes and deforestation under soybean and sugarcane cultivations“

Siu Mui Tsai

Eliana G.M. Macedo

[email protected]

[email protected]

To integrate data from soil physics, chemistry, microbiology and

bioinformatics in an effort to detect, quantify and correlate the

microbial processes involved in the C and N biogeochemical turnover

in soybean and sugarcane cultivations.

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

Microrganismos, Produção Vegetal e Qualidade do Solo

CO

N

O

CH

The multidimensional approach for microbial diversity assessment in soils

Land-use changes in Amazonia

Landscape approach

Riqueza de UTOs (Unidades) de Archaea

17,90

13,40

11,75

16,10

Floresta 1

Floresta 2

Agricultura

Pastagem

ANÁLISE FILOGENÉTICA – SISTEMAS DE USO DE TERRA

Verrucomicrobia

T-RFLP

Validação de Bio-Indicadores

Bio-indicadores Taxonômicos

(nível sub-divisão)

Verrucomicrobia

Desmatado

Rede de associação bactéria-bactéria-solo

FLORESTA

DESMATADO

_

floresta

_

_

desmatado

_

_

agricultura - soja

_

_

pastagem

_

Floresta

Desmatado | Agricultura | Pastagem

Abundância de filos taxonômicos

[

Floresta

]

[

Desmatado | Agricultura | Pastagem

]

Abundância de categorias funcionais

Análise de Diversidade

Análise de Network

[

Floresta

]

[

_{Floresta 2}

_Agricultura

_Pastagem

_[

_Agricultura

_]

_[

_Pastagem

_]