Efeito da disponibilidade de água na composição e função de comunidades microbianas presentes no solo do cerrado revelado por análises metagenômicas

Abstract

O Cerrado, bioma exclusivamente brasileiro, compreende alta heterogeneidade de vegetação e duas estações bem definidas durante o ano sendo estes invernos secos e verões chuvosos. Embora uma quantidade considerável de informação esteja disponível sobre a diversidade de fauna e flora presente no Cerrado, pouco se conhece sobre a composição, estrutura e funcionamento biológico das comunidades microbianas nas diferentes fitofisionomias nativas associados a este bioma. Nesse contexto, genes do rRNA (16S em procariotos e 18S em eucariotos) e posteriormente do DNA total (metagenoma) extraídos diretamente de solo a partir de quatro tipos de vegetação ontrastantes (cerrado denso, campo sujo, cerrado sensu stricto e mata de Galeria) durante as estações secas e chuvosas foram analisados por meio de pirosequenciamento. As análises comparativas das quatro fitofisionomias revelaram uma distinta distribuição de filos de Bactérias, Archaea e Fungos. De acordo com a riqueza de OTU estimada pelo índice de Chao1, a estação chuvosa apresentou maior riqueza de OTUs para as comunidades de bactérias e fungos. Em contraste, a estação seca demonstrou possuir maior riqueza de OTUs para a comunidade de archaea. Aparentemente, houve forte influência da umidade do solo com a composição da comunidade microbiana sugerindo que o teor gravimétrico de água nas amostras de solo pode ser considerado como um dos preditores de variabilidade dentro da diversidade microbiana presente em amostras de solo do bioma Cerrado. Além disso, análises dos dados metagenômicos revelaram aumento significativamente estatístico na abundância relativa de genes associados com o metabolismo e aquisição de ferro, elementos transponíveis, dormência e esporulação durante a estação seca. Em adição, genes relacionados ao metabolismo de DNA e gados à respiração tiveram sua abundância relativa enriquecida durante a estação chuvosa. Essas categorias funcionais geralmente podem estar associadas aos mecanismos de adaptação da comunidade microbiana a estresse hídrico. Em suma, estes resultados podem ajudar a construir conclusões mais compreensivas sobre a capacidade funcional das comunidades microbianas de solos nas estações seca e chuvosa. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The Cerrado occurs primarily in Brazil. Its vegetation varies considerably in physiognomy and there are two well-marked and seasonal climates, one wet summer and one drought winter. Although a considerable amount of information is available regarding the fauna and flora diversity present in the Cerrado, little is known about the composition, structure and biological function of microbial communities in different native physiognomies associated to this biome. Using barcode pyrosequencing of the rRNA (16S/18S rRNA) genes and shotgun metagenomics analysis with DNA directly extracted from four contrasting physiognomies (cerrado denso, campo sujo, cerrado sensu stricto and mata de galeria) in the two different time points (drought and rain) were performed. Comparative analysis of the four type vegetation soil samples revealed a distinct distribution of bacterial, archaea and fungal phyla. According to the OTU richness estimated by Chao 1, the rain season is more species rich than drought season for bacterial and fungal communities; by contrast, the archaeal community showed is more species rich in the drought when compared with rainy season. Apparently, there was a strong influence of soil moisture on the composition of the microbial community suggesting that the gravimetric water content of soil samples can be considered as one of the predictors of variability within the microbial diversity present in soil samples from the Cerrado biome. Furthermore, analysis of metagenomic data revealed statistically significantly increased in relative abundance of genes associated with metabolism and iron acquisition, transposable elements, dormancy and sporulation during the dry season. In addition, genes related to metabolism of DNA and proteins as well as genes linked to respiration had enriched their relative abundance during the rainy season. These functional categories can generally be associated with the mechanisms of adaptation of the microbial community to water stress. Indeed, these results can help build more comprehensive conclusions about the functional capacity of microbial communities in soils of dry and rainy seasons.