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 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. Siu Mui Tsai tsai@cena.usp.br Eliana G.M. Macedo egerle@fcav.unesp.br 1
Evolução da Ecologia Microbiana FAPESP - 1997 FAPESP GENOME (ONSA) FUNCTIONAL GENOMICS AGRICULTURAL AND ENVIRONMENTAL GENOMES Programas Especiais PFPMCG Bioen (Be-Basic) Biota Mudanças Climáticas Globais Brasil/Holanda Microrganismos 2
Microrganismos, Produção Vegetal e Qualidade do Solo Bioinoculantes CO 2 Plantio Direto Manejo Integrado N 2 O CH 4 Planta FORMAÇÃO INSUMOS Estrutura Soil Structure Solo Ciclos Biogeoquímicos DECOMPOSIÇÃO Rizosfera EXPORTAÇÃO Bacteria Archaea Fungi 3
The multidimensional approach for microbial diversity assessment in soils Bonhannan. Nüsslein e Rodrigues, 2012 4
Análises Multivariadas: PCA; RDA; CA CCA;NMDS Análises Multivariadas: PCA; NMDS Análise de Similaridade: ANOSIM Análises de Diversidade: Diversidade, Riqueza, Equitabilidade Riqueza Diagramas de Venn UTO s dominantes Gráficos de Abundância Univariada; Multivariada; Modelos GLM; etc. Análises univariadas: ANOVA Análise de bibliotecas de clones The Ex Ante Carbon-balance Tool PREDIÇÃO de Balanço de CO 2 equivalente Integração de dados de redes neurais Análise de sequências geradas em larga escala (NGS) Análise de perfis metagenômicos 5
Comunidades bacterianas em pastagem foram significativamente maiores em diversidade alfa que em floresta Diversidade beta foi significativamente menor em solos de pastagem (espacial) 6
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Land-use changes in Amazonia Landscape approach Navarrete et al., 2011 Floresta (1 ª e 2 ª ) Agricultura (Cassava) Pastagem 8
Riqueza de amplicons Riqueza de UTOs (Unidades) de Archaea Média 17,90 13,40 11,75 16,10 Floresta 1 a Floresta 2 a Agricultura Pastagem 9
DQ534703-SO ANÁLISE FILOGENÉTICA SISTEMAS DE USO DE TERRA Método Neighbor-Joining Distância Jukes-Cantor Matriz PAM (Dayhoff) 0.05 Sequências referência - Francis et al., 2005 - Park et al., 2006 DQ148640-SM Floresta Primária Cultivo Agrícola Tradicional Pastagem Floresta Secundária 10
2013 Brazilian Amazon Sampling sites Forest Cropland Soybean Forest Cropland rhizosphere Forest Cropland Soybean rhizosphere BS-F1 BS-C1 SR-I SR-II BS-F3 BS-C3 SR-III SR-IV October 2009 BS-F2 BS-C2 BS-F4 BS-C4 April 2010 Porto dos Gaúchos municipality Ipiranga do Norte municipality 11
Validação de Bio-Indicadores Bio-indicadores Taxonômicos T-RFLP Sítios de Áreas Desmatadas (nível sub-divisão) Verrucomicrobia Navarrete et al. (2012) ISME14 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
Deforested Forest (in preparation) Taxonomic Functional A B DNA repair (P=0.003) Protein biosynthesis (P=0.002) Forest soil DNA replica on (P=0.004) Forest soil Protein degrada on (P=0.002) DNA metabolism Protein folding (P=0.003) Protein processing a and modific (P=0.004) on Protein metabolism 15 Deforested soil Deforested soil
Bacteria-bacteria-soil interactions Forested network Bacteria-bacteria-soil interactions Deforested network 16
Rede de associação bactéria-bactéria-solo Floresta 50 nós 117 assoaciações 0.456 modularidade Desmatado 43 nós 93 assoaciações 0.597 modularidade 17
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Rede de associação função-função-solo FLORESTA 30 nós 23 assoaciações 0.746 modularidade DESMATADO 51 nós 82 assoaciações 0.593 modularidade 19
Análises Taxonômica e Funcional de Comunidades Microbianas - SUTs _floresta desmatado agricultura - soja pastagem_ Mendes et al. (em preparação) 20
Floresta Abundância de filos taxonômicos Proteobacteria Acidobacteria Verrucomicrobia Desmatado Agricultura Pastagem Firmicutes Chloroflexi Bacteroidetes Legenda: Floresta Desmatado Agricultura Pastagem 21 Mendes et al. (em preparação)
Abundância de categorias funcionais [ Floresta ] [ Desmatado Agricultura Pastagem ] Mendes et al. (em preparação) 22
Análise de Diversidade Mendes et al. (em preparação) 23
Análise de Network [ Floresta ] [ Agricultura ] [ Pastagem ] Mendes et al. (em preparação) 24
Floresta INTEGRAÇÃO LAVOURA-PECUÁRIA (SISTEMA ABC) Clóvis Borges e Dennis Goss - DR Plantio Direto Cerrado Convencional Solo 2011/2012/2013 N 2 N 2 O nosz Genes Funcionais Consumo pmoa CH 4 mcra NO norb Solo qpcr Illumina MiSeq CH 4 Emissão Genes Funcionais 25
INTEGRAÇÃO LAVOURA-PECUÁRIA (SISTEMA ABC) Clóvis Borges - DR 26
A Model System for Sugarcane Studies Acácio Navarrete - PD Treatments N0: no amendments N60: 60 Kg ha -1 N (urea) Straw: 10 t ha -1 sugarcane straw (variety CTC-2) Vinasse: 120 m 3 ha -1-150 Kg ha -1 P 2 O 5 and K 2 O (all treatments) - Plants: CTC-2 sugarcane variety 27
A Model System for Sugarcane Studies Fertilization I Fertilization II Fertilization III T217 T150 T157 T210 T90 T0 T7 T14 Germination & Establishment phase Tillering phase Grand Growth period 28
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 CO 2 -C (g m 2 h 1 ) Mean fluxes of CO 2 1200,0 1.2 Fertilization I Fertilization II 1200,0 1000,0 1.0 1000,0 800,0 0.8 800,0 600,0 0.6 600,0 400,0 0.4 N0 NO+Straw N60 N60+Straw N60+Vinasse N60+Straw+Vinasse 400,0 200,0 0.2 200,0 0,0 0 0,0 T0 T7 T14 T90 T150 T157 T200 Soil sampling (time in days) 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 29
N 2 O-N (mg m 2 h 1 ) Mean fluxes of N 2 O Fertilization I Fertilization II 1200,0 180 160 1000,0 140 120 800,0 100 80 8 600,0 60 6 400,0 40 4 20 2 200,0 0 4/1/13-20 5/1/13 6/1/13 7/1/13 8/1/13 9/1/13 10/1/13 0,0 T0 T7 T14 T90 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 T150 T157 T200 Soil sampling (time in days) 30
Análise Funcional dos Processos Biológicos Fabiana Cannavan - PD Geochip V.4 31
Colaboração Nacional e Internacional Holanda Siu Mui Tsai Carlos Cerri Brigitte Feigl Acacio Navarrete, Fabiana Cannavan Lucas Mendes, Clovis Borges, Dennis Goss Caio Yoshiura, Marcela Arnaldo, Andressa Venturini Eiko Kuramae Hans van Veen Wim van der Putten Paul Bodelier Eliana Lemos Newton La Scala Jr. Lucia Carareto Eliamar Pedrinho EUA Brendan Bonhannan UO Klaus Nusslein UMAS Jorge Rodrigues UTA Z. Zhou - OSU Heitor Cantarella Raffaella Rossetto EMBRAPA CPAO Fábio Mercante Michelle Tomazzi Karoline Faust 32