Efecto del uso, manejo y región geográfica sobre los genes del ciclo del carbono y nitrógeno de la comunidad edáfica en dos regiones del Valle del Cauca

Abstract

La intensificación de las actividades agrícolas y pecuarias asociada a la creciente demanda mundial de alimentos conducen a cambios en la estructura física y bioquímica de los suelos, como resultado de la adopción de monocultivos y la simplificación de las interacciones biológicas. Esto desencadena en la reducción de la biodiversidad y aumento en la emisión de gases de efecto invernadero. Una de los indicadores de degradación del suelo es la pérdida de la diversidad y de funciones de las comunidades microbianas. En la última década se han empleado como más frecuencia las técnicas de secuenciación de ADN para explorar la composición y función microbiana del suelo, como la secuenciación de marcadores moleculares para evaluar la composición taxonómica (e.g., 16S rARN) y secuenciación metagenómica por shotgun para estudiar los genes funcionales de las comunidades y su potencial funcional. No obstante, la secuenciación metagenómica shotgun del suelo es difícil debido a la mega diversidad de las comunidades microbianas del suelo que requiere de una altísima inversión económica en cuanto a secuenciación y hace imposible emplear esta técnica de forma frecuente en los estudios de suelo. En los últimos años se han desarrollado metodologías como el PICRUSt que permiten realizar predicciones funcionales de genes a partir de secuencias de 16S rARN. Estas herramientas basan sus predicciones en la presencia de genomas completos y disponibles relacionados cercanamente a los taxones identificados por el 16S rRNA. En consecuencia, estos métodos funcionan mejor en ambientes con alto número de genomas secuenciados como los estudios del microbioma del ser humano que en estudios con poca representatividad en las bases de datos como los estudios del suelo.

Por lo tanto, el presente estudio pretende establecer si las herramientas de predicción como PICRUSt pueden ser utilizadas en suelo para establecer el potencial funcional de las comunidades microbianas y así establecer el efecto del uso y manejo del suelo en la composición y funciones microbianas. Para esto se comparó la predicción de genes por PICRUSt con datos de secuenciación metagenómica. Una vez establecidas que funciones poseen una alta correlación entre la predicción y el metagenoma se evaluó el efecto de distintos usos y manejos agrícolas sobre dichas funciones. Para establecer el efecto de estas prácticas en el suelo como un paso importante para diseñar mejores prácticas agrícolas a futuro.

En el presente trabajo se utilizaron datos de secuenciación que fueron obtenidos en un trabajo de grado anterior. Estos datos se obtuvieron a partir de muestras de suelo colectadas en dos regiones del departamento de Valle del Cauca, Colombia, con diferentes usos y manejo del suelo: silvopastoril intensivo, pasto convencional, caña de azúcar con manejo convencional y agroecológico y bosque seco tropical.

PICRUSt predijo 12111 anotaciones funcionales, mientras que el análisis metagenómico identificó solo 6188 anotaciones funcionales. La correlación de Spearman entre la abundancia de todos los genes obtenidos por PICRUSt y por secuenciación metagenómica fue relativamente baja. Esta misma correlación para los genes relacionados con los ciclos de Nitrógeno, Carbono fue considerablemente más alta.

Además, se calculó el Índice de Taxón Secuenciado Más Cercano (NSTI), que está relacionada con la incertidumbre de predicción, varían entre 0.25 y 0.05 en los diferentes sitios de muestreo.

Para evaluar el efecto del uso y manejo del suelo, así como la región geográfica sobre la abundancia de genes funcionales, se realizó un análisis de coordenadas principales (PCoA), para mostrar el ordenamiento de las muestras en los ciclos de carbono y nitrógeno, además se realizó un análisis estadístico PERMANOVA para determinar los efectos del uso, manejo y región sobre los mismos ciclos. Asimismo, se comparó la abundancia de diferentes genes de los ciclos del nitrógeno y carbono. Se observó una agrupación de todos los genes por manejo y región en la predicción de PICRUSt. En el ciclo del nitrógeno se encontró una separación representativa por región, en el ciclo del carbono se observó una separación entre los suelos de bosques y suelos intervenidas. Las abundancias de genes relacionados con la metanógenesis fueron mayores en sistemas con manejo convencional y bajo en sistemas con manejo agroecológico con un valor P significativo de 0.016, en el metabolismo de carbohidratos valores altos en bosque y todos los sistemas de El Cerrito con valor P 0.001. En oxidación de metano no se encontraron diferencias significativas. En la fijación de carbono valores altos en Bosque y cañas y bajos en silvopastoril y Pasturas, encontrando diferencias significativas del uso del suelo con valor P 0.0186. En cuanto al ciclo del nitrógeno, la fijación de nitrógeno se encontró valores altos en los sistemas de El Cerrito y bajos en Bugalagrande, concordando con diferencias significativas en cuanto a región valor P 2e-16. En reducción asimilatoria de nitratos fue alta en bosque, seguido por altos en manejo agroecológico y bajos en manejo convencional validado por la diferencia significativa del manejo del suelo valor P 0.0034. En la nitrificación se encontró valores bajos en suelos con uso de ganadería y altos en cañas y bosque, afirmando resultados de diferencia significativa del uso del suelo valor P 0.012. Por último, en la desnitrificación los valores fueron muy variables concordando con los resultados de análisis estadísticos donde no se encontró diferencia significativa