Estudio bioinformático del microbioma del suelo bajo diferentes sistemas de cultivo

Autor: Cuartero Moñino, Jessica
Přispěvatelé: Ros Muñoz, Margarita, Pascual Valero, José Antonio, Vivo Molina, Juana María
Rok vydání: 2022
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Zdroj: Repositorio Digital de la Universidad Politécnica de Cartagena
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Popis: [SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Mantener la producción o, incluso aumentarla, es uno de los retos de esta época, ya que la población aumenta cada día. Sin embargo, la producción está disminuyendo por muchas razones, siendo una de ellas la degradación del suelo. Hay muchos factores que provocan esta degradación de los suelos como: la erosión, la pérdida de materia orgánica, el viento, el agua y, muy especialmente, las prácticas agrarias intensivas, que incluyen el uso de: pesticidas, herbicidas y fertilizantes químicos. Para evitar este daño al suelo, están surgiendo propuestas más sostenibles. Para estudiar la calidad del suelo generalmente se determinan algunos parámetros fisicoquímicos, químicos y biológicos, aunque las nuevas técnicas moleculares (como la secuenciación de última generación), están ganando fuerza para evaluar la calidad del suelo, debido al papel crucial que juegan los microorganismos en mantener la salud del suelo, participando en los ciclos bioquímicos (como el ciclo del nitrógeno) y, en consecuencia, en la producción agraria. Actualmente están surgiendo herramientas computacionales para analizar esos datos y sus relaciones, a través de técnicas estadísticas multivariantes conducidas dentro del campo de la bioinformática. De hecho, existen diversos recursos bioinformáticos para profundizar en el estudio de la estructura microbiana, su funcionalidad y las interconexiones entre la comunidad microbiana, así como las propiedades del suelo. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis es evaluar la respuesta de los microorganismos del suelo a través del uso de herramientas bioinformáticas, su análisis estadístico y las relaciones de estos con los parámetros fisicoquímicos, físicos, químicos, biológicos y la producción de los cultivos bajo prácticas de cultivo sostenible. Los tres trabajos que han sido publicados son: a) Cambios en las comunidades bacterianas y fúngicas en sistemas de cultivo orgánico de largo plazo. Agriculture (https://doi.org/10.3390/agriculture11050445). b) Cambio en las interacciones y especializaciones en las comunidades bacterianas del suelo tras una aplicación a largo plazo de compost, que incrementó la presencia de genes del ciclo del nitrógeno en el suelo. Agronomy (https://doi.org/10.3390/agronomy12020316). c) Un año de cultivos asociados de melón:caupí mejora los nutrientes y cambia las comunidades microbianas del suelo. Agriculture, Ecosystems & Environment (https://doi.org/10.1016/j.agee.2022.107856) Las primeras dos publicaciones estudian el efecto de un experimento a largo plazo (10 años) donde dos cultivos orgánicos, uno con la adición de compost y té de compost y el otro con la adición de estiércol fresco, son comparados con el cultivo convencional. Para este propósito, las propiedades del suelo y las comunidades microbianas, determinadas a través de la secuenciación de los genes 16S e ITS, son estudiadas mediante el uso de técnicas estadísticas, tanto univariantes como multivariantes, y mediante el Análisis Discriminante Lineal por Efecto del Tamaño (LEfSe). Para profundizar en la funcionalidad, estructura y conexiones microbianas se aplican avanzados algoritmos bioinformáticos como la Investigación Filogenética de Comunidades por la Reconstrucción de Estados No observados (PICRUSt) y el Análisis de Redes Moleculares (MENA). Los resultados muestran como los dos sistemas sostenibles, en particular en el que se aplica el compost, produce un aumento del carbono orgánico total, nitrógeno total y algunos micronutrientes como boro o magnesio, comparado con el convencional. Con respecto a la comunidad microbiana, aunque la α-diversidad no detectó diferencias entre los sistemas de cultivo, la -diversidad y el algoritmo LEfSe son capaces de detectar cambios en las comunidades bacterianas y fúngicas, donde diferentes microorganismos se muestran asocidados a los diferentes cultivos realizados ejem. Haliangium, Wallemiales, Turicibacter, Pantoea o Pseudoalteromonas. La construcción de redes de coocurrencia y su posterior análisis, así como la predicción de una funcionalidad potencial, muestra como la incorporación de compost aumentó la modularidad, permitiendo que la comunidad hospedara un mayor número de nichos, lo que facilitaría la respuesta de la comunidad microbiana a cambios en factores externos. Además, la funcionalidad potencial revela como la aplicación de compost aumenta la fijación potencial de nitrógeno a través de los microorganismos, disminuyendo las emisiones de N2O y aumentando el secuestro potencial de carbono por parte de microorganismos autótrofos. La tercera publicación incluye el efecto, a corto plazo, de distintas distribuciones de cultivos asociados como melón (Cucumis melo) y caupí (Vigna unguiculata), en comparación con el monocultivo de melón y caupí, sobre las propiedades del suelo y la comunidad bacteriana obtenida a través de la amplificación del gen 16S rRNA. Los resultados obtenidos a través de los apropiados procedimientos estadísticos univariantes, multivariantes y el algoritmo LEfSe usando recursos computacionales, revelan como el sistema de cultivos asociados incrementa el nitrógeno total, el carbono orgánico total, el fósforo y la producción de melón en comparación con un sistema de monocultivo, pero también revela como el cultivo asociado cambia la población bacteriana y promueve el desarrollo de algunos microorganismos beneficiosos, como Pseudomonas, Bacillus, Sphingomonas y Strepmyces. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Maintaining crop yield, or even increasing, is one of the challenges of this time since every day the population increases. However, agricultural yield is declining for many reasons, being one of them, the soil degradation. There are many factors involve in this soil degradation such as erosion, loss of organic matter, the wind, the water, and most especially intensive farming practices which includes: pesticides, herbicides, and chemical fertilizers. To avoid this soil damage, many sustainable proposals have emerged. To study soil quality, generally the measurement of some physicochemical, chemical and biological parameters are used, although new molecular techniques (such a Next Generation Sequencing), are also gaining strength to asse soil quality due to the crucial role that microorganisms play in maintaining soil health participating in biochemical cycles (such N-cycle) and, in consequence, for crop production. Currently, there are a burgeoning development of computational tools to analyse such data, multidimensional by nature, and their interrelationships mainly through multivariate techniques conducted under the field of Bioinformatics. Indeed, specific bioinformatics resources are available to deep on the study of the microbial community structure, functionality and the interconnection between microbial community and soil properties. Therefore, the objective of this thesis is to evaluate the response of soil microorganisms, through the use of bioinformatic tools and its statistical analysis, and their relationship with soil physicochemical, physical, chemical, biological parameters and crop yield when sustainable crop systems are assayed. Three papers have been published: a) Changes in Bacterial and Fungal Soil Communities in Long-Term Organic Cropping Systems. Agriculture (https://doi.org/10.3390/agriculture11050445). b) Long-Term Compost Amendment Changes Interactions and Specialization in the Soil Bacterial Community, Increasing the Presence of Beneficial N-Cycling Genes in the Soil. Agronomy (https://doi.org/10.3390/agronomy12020316). c) A first-year melon/cowpea intercropping system improves soil nutrients and changes the soil microbial community. Agriculture, Ecosystems & Environment (https://doi.org/10.1016/j.agee.2022.107856) The first two publications study the effect of a long-term experiment (10 years) where two sustainable cropping systems with the application of compost and compost tea in one hand; and fresh manure in the other are compared with a conventional cropping system. For this purpose, soil properties and microbial communities which are determined by sequencing of 16S rRNA and ITS genes, are studied by using univariate and multivariate statistical methodologies, and Linear discriminant analysis Effect Size analysis (LEfSe). To deepen on functional microbial structure and microbial connections, advanced bioinformatics algorithms are applied through Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States (PICRUSt) and Molecular Ecological Network Analysis (MENA). Results show that both sustainable cropping systems, in particular the one with compost, produces an increase on total organic carbon, total nitrogen and some micronutrients such as boron or magnesium compared to the conventional one. Regarding to microbial community, although α-diversity do not detected differences between different cropping system, β-diversity and LEfSe algorithm are able to detect changes in bacterial and fungal communities, where different microorganisms are associated with the different cultivation systems carried out e.g., Haliangium, Wallemiales, Turicibacter, Pantoea or Pseudoalteromonas. The co-occurrence network construction and the prediction of potential functionality show that the incorporation of compost increases the modularity, allowing the community to host greater number of niches that would facilitate the response of microbial community to environmental factors. In addition, potential functionality reveal how compost application increases bacterial nitrogen-fixing potential, decreasing N2O emissions and increasing the carbon-sequestration potential by autotrophic microorganisms. The third publication includes the effect of different intercropping patterns (melon (Cucumis melo)/cowpea (Vigna unguiculata) a legume able to for nodules and fixing atmospheric nitrogen), in comparison to melon and cowpea monoculture on soil properties and bacterial community by sequencing of 16S rRNA gene. Results through suitable univariate and multivariate statistical procedures and LEfSe analysis, reveal how intercropping system increases total nitrogen, total organic carbon, phosphorous and crop yield compared with melon monocrop systems, but it also reveals how the intercropping system changes the bacterial community and promotes the growth of some beneficial microorganisms such as Pseudomonas, Bacillus, Sphingomonas and Streptomyces. Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones, con tres artículos: 1. Cambios en las comunidades bacterianas y fúngicas en sistemas de cultivo orgánico de largo plazo. Agriculture (https://doi.org/10.3390/agriculture11050445). 2. Cambio en las interacciones y especializaciones en las comunidades bacterianas del suelo tras una aplicación a largo plazo de compost, que incrementó la presencia de genes del ciclo del nitrógeno en el suelo. Agronomy (https://doi.org/10.3390/agronomy12020316). 3. Un año de cultivos asociados de melón:caupí mejora los nutrientes y cambia las comunidades microbianas del suelo. Agriculture, Ecosystems & Environment (https://doi.org/10.1016/j.agee.2022.107856) Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de Cartagena Universidad Politécnica de Cartagena Programa de Doctorado en Técnicas Avanzadas en Investigación y Desarrollo Agrario y Alimentario (TAIDA)
Databáze: OpenAIRE
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