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Type: Tese
Title: Diversidade e mecanismos de promoção do crescimento de plantas utilizando abordagem dependente e independente de cultivo por microrganismos obtidos de milho cultivado em diferentes fontes de fósforo
Authors: Ubiana de Cássia Mourão Silva
First Advisor: Vera Lúcia dos Santos
First Co-advisor: Christiane Abreu de Oliveira Paiva
metadata.dc.contributor.advisor-co2: Sara Cuadros
Abstract: O uso de fertilizantes fosfatados na agricultura é importante devido ao alto requerimento deste nutriente pelas plantas. Contudo, grande parte do fosfato (P) adicionado na forma de fertilizantes solúveis no solo é rapidamente adsorvido aos óxidos de ferro, alumínio e cálcio, o que pode levar a uma retenção de até 80 % do P aplicado. O Superfosfato triplo (SFT) é excelente fonte de P solúvel. Porém, devido ao elevado custo de produção desta fonte, o uso de fosfato de rocha (FR) tem sido alternativa atrativa nos países em desenvolvimento. No entanto, a baixa reatividade dos FR tem estimulado pesquisas envolvendo a utilização de microrganismos solubilizadores de P para melhorar a disponibilização deste nutriente nos solos adubados com FR. Muitas vezes, esses microrganismos além de promoverem a solubilização de P, desempenham várias funções que auxiliam no crescimento vegetal, constituindo candidatos ideais ao desenvolvimento de inoculantes que aumentem a produtividade e sustentabilidade de cultivos agrícolas importantes, como o milho. Neste trabalho, nós comparamos o efeito da fertilização do milho com FR e SFT em ensaio de campo, por um período de três anos, na diversidade da comunidade microbiana da rizosfera do milho utilizando método independente de cultivo. Além disso, obtivemos isolados bacterianos da rizosfera do milho cultivado com o FR e sem adição de P, que foram avaliados juntamente com microrganismos endofíticos também isolados de milho quanto à solubilização dos fosfatos de rocha (Araxá) e fosfato de ferro em testes in vitro, promoção do crescimento de milheto cultivado com FR em testes de casa de vegetação, e ainda quanto à presença de genes relacionados a promoção do crescimento vegetal por análise genômica. Analisamos também o genoma parcial de duas linhagens de Serratia marcescens, SmCNPMS2112 e SmUFMG85, endofíticas isoladas do milho que se destacaram nos ensaios in vitro e de casa de vegetação. Esses genomas foram comparados entre eles e com outras linhagens de Serratia isoladas de diferentes ambientes, visando a identificação de genes relacionados ao estilo de vida endofítico, promoção do crescimento de planta e patogenicidade. Nos estudos de diversidade da microbiota da rizosfera do milho, o filo Proteobacteria foi dominante em todas as condições de fertilização fosfatada, enquanto Oxalobacteraceae (principalmente Massilia sp. e Herbaspirillum sp.) foi enriquecida no solo adicionado de FR. Burkholderia sp. e Bacillus sp. foram também predominantes no solo fertilizado com FR, quando comparado ao solo tratado com SPT. Quanto aos fungos, Glomeromycota apresentou maior abundância nos solos adicionados de FR, os principais gêneros foram Scutellospora e Racocetra. Estes táxons já foram descritos como importantes para a solubilização / aquisição de P em solo fertilizado com FR. As plantas de milho cultivadas nos solos tratados com SPT e com FR apresentaram produtividade similar, e uma correlação positiva foi detectada entre o conteúdo de P e o perfil da comunidade microbiana desses solos. Bactérias pertencentes à família Enterobacteriaceae também foram predominantes nas culturas obtidas do solo rizosférico do milho cultivado com e sem adição de FR; os gêneros principais foram Klebsiella e Enterobacter. Nos ensaios de caracterização dos isolados quanto ao potencial de solubilização de fosfatos, o fosfato de Araxá foi mais solubilizado do que o fosfato de ferro e as bactérias endofíticas foram as mais eficientes no processo de solubilização de P a partir do fosfato de Araxá em relação às rizosféricas. Nos ensaios de promoção de crescimento do milheto, em condições controladas, oito das nove bactérias avaliadas contribuíram para a melhoria de no mínimo um dos parâmetros de crescimento desta planta, com destaque para os isolados Bacillus megaterium UFMG50, Ochrobactrum sp. CNPMS2088 e S. marcescens CNPMS2112. Essas bactérias apresentaram genes relacionados ao metabolismo de P, produção de ácidos orgânicos e de fitohormônios. De acordo com a análise filogenética do genoma total e da região conservada das espécies de Serratia, observou-se que a região acessória não afetou a separação dos genomas dado que ambas as árvores contendo o genoma total e apenas a parte de famílias gênicas conservadas apresentaram uma distribuição muito similar entre os genomas. Numerosas funções preditas foram compartilhadas entre as Serratia spp. de diferentes estilos de vida, como solubilização, hidrólise e aquisição de fosfato, aquisição de ferro, produção de ácido indol acético (AIA) motilidade, adesão e formação de biofilme, produção de bacteriocina, antibióticos e genes que conferem resistência a drogas e a agentes oxidantes, além de muitos fatores de virulência. Portanto, as diferenças que definem determinado estilo de vida entre as Serratia spp. avaliadas são provavelmente mais relacionados às variações na expressão gênica do que ao conteúdo genômico per se. Além disso, 3 profagos foram detectados no genoma de S. marcescens SmUFMG85 e 2 no genoma de S. marcescens SmCNPMS2112. A análise comparativa mostrou que as regiões únicas e acessórias estão localizadas em ilhas genômicas. No genoma de SmCNPMS2112, elas continham, por exemplo, genes do sistema secretório do tipo III, protease, quitinase, fimbria, sideróforo e β-lactamase. Enquanto em SmUFMG85 estavam presentes genes do sistema de secreção tipo IV, genes relacionados à conjugação e transposição, quimiotaxia, aquisição de ferro e produção de ramnolipídeos. Os dados sugerem que o repertório de genes detectados confirma o estilo endofítico dos isolados SmUFMG85 e SmCNPMS2112 e o potencial para promover o crescimento das plantas. Além disso, foi evidente o papel do mobiloma de SmUFMG85 e SmCNPMS2112, especialmente os genes localizados em ilhas genômicas, para a aquisição de várias funções que podem conferir capacidade de adaptação à planta hospedeira além de outros ambientes. Foram observadas mudanças na composição da comunidade microbiana associadas ao tipo de fertilização fosfatada e, embora não seja possível estabelecer relações de causalidade, alguns táxons identificados são relacionados com a solubilização do fosfato de Araxá epromoção do crescimento das plantas. Da mesma forma, os testes feitos in vitro e em casa de vegetação apontam diversas bactérias como candidatas ao desenvolvimento de bioinoculantes para a agricultura.
Abstract: The use of phosphate fertilizers in agriculture is important due to the high requirement of this nutrient for the plants. However, much of the phosphorus (P) added to soil as soluble P is rapidly adsorbed to iron, aluminum or calcium oxides, which can lead to a complexation of 80% of the P applied to the soil. Triple superphosphate (TSP) is an excellent source of soluble P. However, due to its high cost of production, the use of, cheaper P sources, such as rock phosphate (RP) has been an attractive alternative in developing countries. A drawback is the low reactivity of RP, but the use of P solubilizing microorganisms to improve the availability of this nutrient is investigated. These microorganisms, in addition to improving P solubilization, may also play a role in promoting the growth of plants. They can be used for the development of microbial inoculants aimed at increasing the productivity and sustainability of important agricultural crops such as maize. In this work, we compared the effects of three years of fertilization with RP and TSP on the diversity of the maize rhizosphere microbial community using independent cultivation method. In addition, we obtained bacterial isolates from the rhizosphere of maize cultivated with RP and without P addition and evaluated the potential of these and of endophytic bacteria also isolated from maize for the solubilization of rock phosphate (Araxá) and iron phosphate in vitro. Pearl millet growth-promotion under RP fertilization was also evaluated in greenhouse tests. Furthermore, we investigated the presence of genes related to plant growth-promotion in 9 sequenced genomes. We also analyzed the draft genome of Serratia marcescens SmCNPMS2112 and S. marcescens SmUFMG85 isolated from maize that stood out in the in vitro and greenhouse trials. These genomes were compared among themselves and to other strains of Serratia isolated from different environments, aiming at the identification of genes related to the endophytic lifestyle, promotion of plant growth and pathogenicity. Proteobacteria phylum was dominant in all phosphate fertilization conditions, while Oxalobacteraceae (mainly Massilia sp. and Herbaspirillum sp.) were enriched in the soil fertilized with RP. Klebsiella sp. was the second most abundant taxon in soil treated with RP. Burkholderia sp. and Bacillus sp. were enriched in the soil fertilized with RP when compared to soil treated with TSP. As for fungi, Glomeromycota presented higher abundance in RP-treated soils, and the most abundant genera were Scutellospora sp. and Racocetra. These taxa are already described as important for P solubilization / acquisition in soil fertilized with RP. Maize cultivated in the TSP and RP treated soil presented similar productivity, and a positive correlation was detected for the Pcontent and the microbial community of these soils. Bacteria belonging to the Enterobacteriaceae family were predominant in the cultures obtained from the rhizosphere soil of maize cultivated with and without RP, and the main genera were Klebsiella and Enterobacter. Among the sources of P we evaluated, Araxá phosphate was solubilized to a higher extent, when compared to iron phosphate and independent of the P source, the endophytic bacteria solubilized P more efficiently than the rhizospheric ones. In addition, eight in nine bacteria evaluated for the capacity to promote the growth of millet contributed to the improvement of at least one of the growth parameters evaluated,and the most efficient strains were Bacillus megaterium UFMG50, Ochrobactrum sp. CNPMS2088 and Serratia marcescens CNPMS2112. These bacteria contain genes related to P metabolism, production of organic acids and phytohormones. Whole genome phylogenetic analysis together with the analysis of conserved phylogenetic markers of Serratia sp., it was observed that the conserved part of the genome contributed more to the separation, whereas the accessory portion of the total genome did not affect the phylogenetic distribution. Numerous predicted functions were shared between Serratia sp. of different lifestyles, such as solubilization, hydrolysis and phosphate acquisition, iron acquisition, indole acetic acid (IAA) production, motility, adhesion and biofilm formation, bacteriocin production, antibiotics, and genes that confer drug resistance and oxidizing agents, as well as many virulence factors. Therefore, the differences that define a particular lifestyle among the Serratia sp. evaluated are probably more related to variations in gene expression than to genomic content per se. In addition, 3 prophages were detected in the S. marcescens SmUFMG85 genome and in the S. marcescens SmCNPMS2112 genome. Comparative analysis, along with the search for genomic islands, showed that the unique and accessory regions are located in genomic islands. In the genome of S. marcescens SmCNPMS2112, they contained, type III secretory system, protease, chitinase, fimbriae, siderophore and β-lactamase. While in S. marcescens SmUFMG85 the type IV secretion system was obtained, genes related to conjugation and transposition, chemotaxis, iron acquisition and production of rhamnolipids. Thus, it can be concluded that the repertoire of detected genes confirms the endophytic style of the isolates (SmUFMG85 and SmCNPMS2112) and the potential to promote plant growth. In addition, the role of the S. marcescens SMUFMG85 and SmCNPMS2112 mobilomes, especially from genomic islands, was evident for the acquisition of various functions that may confer adaptability to the host plant in addition to other environments.Differences in the composition of microbial communities associated to the type of P fertilization were observed in this study. Even though it is not possible to establish causal relationships, our in vitro and greenhouse tests allowed us to identify taxa involved in the solubilization of RP and in plant growth-promotion. Likewise, the tests done in vitro and in greenhouse show several bacteria as candidates for the development of bioinoculants for agriculture.
Subject: Microbiologia
Fertilizantes
Fosfatos
Milho
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICB - DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Microbiologia
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/42332
Issue Date: 5-Mar-2018
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