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

tsai@cena.usp.br egerle@fcav.unesp.br

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

mailto:tsai@cena.usp.brmailto:egerle@fcav.unesp.br

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