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Registro Completo |
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Biblioteca(s): |
Embrapa Agrobiologia. |
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Data corrente: |
27/07/2005 |
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Data da última atualização: |
17/11/2015 |
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Autoria: |
SALLES, J. F. |
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Título: |
Burkholderia community structure in soils under different agricultural management. |
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Ano de publicação: |
2005 |
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Fonte/Imprenta: |
2005. 143 p. Tese (Doutorado) - Universiteit Leiden, Netherlands. |
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Idioma: |
Português |
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Conteúdo: |
The genus Burkholderia represents an interesting group of bacteria that can be found in many different habitats, from soil to to water, as well as in close association with plants, fungi, insects (ants) and other animals, including human belings. The degreee of interaction apparently depends on the organism Burkholderia in associated with. In the case of fungi and ants, a symbiotic relationsship has been established, and both hosts benefit from the presence of Burkholderia. In contrats, the association of Burkholderia with animals and humans can be deleterious to the host. The bacteria can act as pathogens, causing diaseases knowm as 'glanders' and 'meloidosis', or as opportunistic pathogens in people with cystic fibrosis (mainly species belonging to the so called B. cepacia complex). Regarding Burkholderia and plants, the association is mainly beneficial, although a few species are phytopathogenic. Non-pathogenic Burkholderia species generally colonise the rhizosphere soil (soil closely adhered to plant roots), but some species are even found inside plant tissues. In return, Burkholderia species can stimulate plant growth, contribute to plant nutricion by fixing atmospheric nitrogen and protect plants from pathogens by producing antibiotic compounds. In the latter case, Burkholderia species act as biological control agents of soil -boene plant pathogens, reducing or eliminating the use of chemical pesticides in agriculture, which brings not only economical, but also ecological benefits. Overall, biological control can be achieved by introducing the bionontrol anegt in the area where disease occurs. Usually, however, the introduced anatagonistic species in not adapted to the new environment and therefore, is not able to overcome the indigenous population and colonise the plants effiviently. As an alternative, biological control can be accomplished by manipulating the soil and crops in such way that the community of anatogonistic species already present in the soil is stimulated.
The maim idea behind this thesis was to assess how the genus Burkholderia responds to agricultural management and which species would be selected by a particular management. By understanding the ecology of species Burkholderia species, for instance those with biocontrol abilities, it would be possible to manipulate the soil microbial community by managing the system, in order tio fovour biocontrol species and, thus, increase the level of soil suppressiveness towards diseases.
Chapter1 of this thesis describes the genus Burkholderia in terms of its distribution, diversity, occurrence and application. It also describes the consequence of anthropogenic disurnbance for soil microbial diversity, the effect of agricultuarl practies and management regimes on microbial communities associated with grassland and arable land and the impact changes in agricultural management have on soil microbial community structure. This chapter also contains a brief description of multivatiate analysi, which is considered to represent a tool to in investigate microbial diversity. Chapter1 finishes with the aim, research questions and outlime of the thesis.
Chapter2 deals with the development of a PCR-DGGE method that would allow the assessmebnt of Burkholderia communities in soil. Therefore, the first step was to design primers specific for the genus Burkholderia, targeting the 16S ribosomal RNA (sRNA) gene. The specificity of the primers aws evaluated in silico (using databases), in vivo ( with genomic DNA from both Burkholderia and non-Burkholderia species) and by sequencing of the amplicons generated with DNA contained in the soil samples. In order to validate the method, DNA was extracted from the bulk and rhizosphere soils collected from two grassland plots. The PCR-DGGE analysis of these two plots revelaled that differences in the Burkholderia diversity were mainly observed mainly between bulk and rhizosphere soil sample.
One the molecular method had been developed and validated, the next step was to evaluate the effect that different crops and soil under different agricultural management would have on the Burkholderia community structure. Therefore, a microcosm experiment was set up and it is described in chapter3. In this experiment, four diffrent crops (maize, oat, barley and grass) were grown for three consecutive cycles in pots containing soil with dofferent land use histoties (maize monioculture, crop rotation and permanent grassland). After using a multivariate technique (CCA) to analyse the DGGE patterns from the Burkholderia communities, it was observed that the major factor affecting the composition of the Burkholderia community was land use history. Even after growing the same crop in the same pot for 3 growth cycles, it was not possible to overcome the effet of land use history. One when the soils ith different histories were analysed separately (one-by-one), the effect of crops could be seen. Hence, the Burkholderia oppulations associated with maize and grass on the one hand, and those of barley and oats on the other hand, were similar. In addition, it was grass on the one hand, and those of barley and oats on the other hand, were similar. In addition, it was observed that the Burkholderia community associated with these two groups (maize/grass vs. Oats/barley) was negatively correlated.with the purpose of determining the effect of land use history and agricultural management on Burkholderia community strutures, soil samples were taken from an experimental research site. This site consisted of aeras with distinct soil history (permanent grassland and arable land), in which various agricultuarl management ergimes (crop rotation, monoculture of maize nad grassland) were introduced. In. Chapter4, the effect of these two factors (land use history and agricultural management regime) on the culturable Burkholderia oppulations was assessed. Two hudred and fifty four Burkholderia isolates were obtained from four treatments, i. e. permanent grassland, grassland converted to maize monoculture, arable land (maize monoculture) and arable land converted to grassland. The isolateds were grouped according to their DGGE and BOX patterns in 47 cluters, and this distribution was then used to calculate ecologicxcal parameters. The Shannon diversity diversity index showed that Burkholderia diversity was affected by changes in agricultural management, given that permanent grassland and continuous arable land showed the highest diversity, in addition, diversity tented to be higher in the rhizosphere than in the corresponding bulk soil. By applying species abundance models, it was observed that the Burkholderia communities associated with the rhizosphere were more evenly distributed that the communities collected from bulk soil. Identification of the isolated showed that the majority (98%) was assigned to either new Burkholderia species or Burkholderia species that had originally been isolated from soil, while the remaining 2% belonged to the B. cepacia complex. In chapter5 , the influence of agricultural management on tghe total Burkholderia population was evaluated by multivariate analysis of the PCR-DGGE profiles obtained from the soil sample colleted from the field experiment. It was possible to observe that after four years of field experiment the conversion of permanent grassland to arable land was achieved in respect of the Burkholderia community structure. However, the time needed to convert the Burkholderia community structure associated with arable land to that of permanent grassland was beyond the duration of the ecperiment. In addition, by analysing the direction and extent of the conversion from grassland to arable land (maize monoculture and crop rotation), it was observed that the agricultural practices (fertilisation and tillage) applied in these agricultural managements were more effective in changing the Burkholderia community structures than the agricultural managements regime. In order to link agricultural management to a functional group with in the genus Burkholderia , isolates with biocontrol abilities against the soil-borne fungus Rhizoctonia solani AG-3, an important optato pathogen, were obtained. The results suggested that (chages in) agricultural management, mainly crop rotation, affected the frequency of isolation of anatagonistic Burkholderia strains and that permanat grassland represents a reservoir of Burkholderia species with great optencial for agricultural applications.
Chapter6 contains a simmary of the work carried out for this rhesis, together with the anawer to the reserarch questions raised in chapter 1 and possible alteratives to stimulate the population of antagonistic Burkholderia species and, therefore, increase the suppressiveness of soil against diseases.
In conclusion, the historical use of soil had a great effect on the Burkholderia community structure, and the time span needed to overcome land use history varied according to the type of conversion. Furthermore, the use of agricukltural practies such as fertilisation and tillage played an important role in accelerating this process. When analysing the culturable population, it was noticed that the diversity within the genus Burkholderia was affected by changes in agricultural management, which was highest in the fields which had the same land use history for more than 24 years, i.e. continuous arable lan and permanent grassland. In addition to the higher diversity, permanent grassland had a remarkable stimulatory effect on the Burkholderia species with biocontrol abilities.
O gênero Burkholderia representa um interessante grupo de bactérias que pode ser encontrado em diferentes habitantes, como solo água, ou associação com plantas, fungos, insetos () e outros animais, incluindo seres humanos. O nível d interação depende do organismo com o qual Burkholderia se associa. No caso dos fungos e formigas, existe uma interação simbiótica, onde ambos hospedeiros se beneficiam da presença dessas bactérias. Em Burkholderia com animais, principalmente seres humanos, é deletéria. Neste caso, bactérias do gênero Burkholderi agem como patógenos, causando doenças conhecidas como "glanders" e "meloidosis", ou como patógenos oportunista em pessoas com fibrose cística (principalmente as espécies pertences ao complexo B. cepacia). Já a interação entre Burkholderia e plantas é na maioria das vezes benéfica, embora algumas espécies pertencentes a este gênero sejam fitopatogenicas. As espécies de Burkholderia não fitopatogenicas geralmente colonizam o solo fortemente aderido ás raízes (solo rizosférico), apesar de algumas espécies também serem encontradas colonizando tecidos vegetais. Em troca, estas bactérias podem estimular o crescimento das plantas, contribuir para a nutrição vegetal através da fixação de nitrogênio atmosférico e proteger as plantas do ataque do fitopatógenos através da produção de antibióticos. Neste último caso, espécies de gênero Burkholderia agem como agentes de controle biológico de fitopatógenos de solo, reduzindo ou eliminando o uso de pesticidas na agriculturas, o que acarreta benefícios não só econômicos, como também ecológicos. De modo geral, o controle biológico pode ser alcançado através da introdução do agente de controle biológico na área onde a doença ocorre. Porém, as espécies antagonistas introduzidas normalmente não estão adaptadas ao novo ambiente, o que as torna incapazes de competir com a microflora indígena e colonizar eficientemente as plantas. De forma alternativa, o controle biológico de doenças pode ser obtido através da manipulação do solo e cultivos agrícolas, de tal maneira que a comunidade de espécies antagonisticas presente no solo seja favorecida.
O principal objetivos do presente trabalho foi avaliar como o gênero Burkholderia responde ao manejo agrícola e quais espécies são selecionadas quando um determinado manejo agrícola é empregado. O conhecimento da ecologia de certas espécies de Burkholderia, tornaria possível a manipulação da comunidade microbiana do solo através do manejo do sistema agrícola. O favorecimento das espécies com potencial para controle biológico aumentaria então o nível de supressividade do solo em relação ás doenças.
O capítulo1 dessa tese descreve o gênero Burkholderia com relação a sua distribuição, diversidade, ocorrência e aplicação. Também discute como distúrbio antropogênero afetam a comunidade microbiana do solo; o efeito de práticas e manejos agrícola nas comunidade microbianas associadas com pastagem e solos sob cultivo; e como mudanças no manejo agrícola afetam e estrutura da comunidade microbiana no solo. Esse capítulo contem também uma breve descrição sobre o uso de análise multivariada como ferramenta na investigação diversidade microbiana. O capítulo 1 termina com os objetivos questões cientificas e sumário da tese.
O Capítulo2 descreve o desenvolvimento de um método baseado em PCR-DGGE que permite acessar as comunidades de Burkholderia no solo. Para desenvolver esse método, o primeiro passo foi desenhar primers específicos para o gênero Burkholderia, tendo como alvo o gene 16S rDNA. A especificidade dos primers foi avaliada in silico (usando base de dados), in vivo (com DNA genômico obtido de diversas bactérias pertences ou não ao gênero Burkholderia), e través do sequenciamento dos amplicons obtidos após PCR com DNA extraído de amostras de solo. Como o intuito de avaliar o método, foi extraído DNA de amostras de solo e solo de rizosfera, coletados de duas áreas sob pastagem. A análise de PCR-DGGE dessas áreas revelou que as diferenças com relação a diversidade de Burkholderia foram observadas principalmente entre o solo e o solo associado com a rizosfera..
Após desenvolver e avaliar o método molecular, o passo seguinte foi avaliar o efeito que diferentes culturas e solos sob diferentes manejos agrícolas teriam na estrutura da comunidade de Burkholderia. Para tal, um experimento de microcosmo foi iniciado e está descrito no capítulo3. Neste experimento, quatro culturas (milho, aveia, cevada e grama) foram cultivadas por três ciclos consecutivos em potes contendo solo obtido de áreas com diferentes históricos (monocultura de milho, rotação de culturas e pastagem permanente). Após usar uma técnica de análise multivariada (CCA) para analisar a comunidade de Burkholderia através dos padrões de DGGE, foi observado que o histórico da área era principal fator afetando a composição da comunidade de Burkholderia. Mesmo após cultivar, no mesmo pote, por 3 ciclos de crescimento consecutivos, não foi possível superar o efeito da história agrícola do solo. Foi possível observar o efeito das diferentes culturas somente quando esses solos com diferentes históricos foram analisados separadamente. Foi observado então, que a população de Burkholderia associadas ao milho e a grama eram similares, assim como a população associada com aveia e acevada. Além disso, observou-se uma correlação negativa entre a comunidade de Burkholderia associada a estes dois grupos (milho/grama versus aveia/cevada).
Como o intuito de determinar o efeito do histórico do solo e do manejo agrícola na comunidade de Burkholderia, foram coletadas amostras de solo de um campo experimental. Esse campo consistia de áreas com histórico de solos distintos (pastagem permanente e solo sob cultivo), onde diferentes manejos agrícolas foram introduzidos (rotação de culturas, monocultura de milho e pastagem). No capítulo4, o efeito desses dois fatores (histórico do solo e manejo agrícola) sobre a população culturável de Burkholderia foi avaliado. Duzentos e cinqüenta e quatro isolados de Burkholderia foram obtidos de 4 tratamentos: pastagem permanente, pastagem convertida a monocultura de milho, solo sob cultivo contínuo (monocultura de milho) e solo sob cultivo que foi convertido a pastagem. Os isolados foram agrupados de acordo com seus padrões de DGEE e padrões de BOX-PCR em 47 clusters, e essa distribuição foi então usada para calcular medidas ecológicas. O índice de diversidade Shannon revelou que a diversidade de Burkholderia foi afetada por alterações no manejo agrícola, tendo em vista que a pastagem e o solo sob cultivo contínuo apresentaram os maiores valores de diversidade. Ainda, foi observada uma tendência de maior diversidade nas amostras de solo de rizosfera do que no solo. Através da aplicação de modelos de abundância, foi observado que as comunidade de Burkholderia associadas à rizosfera se mostravam mais uniformemente distribuídas do que as comunidades associadas com o solo. A identificação dos isolados mostrou que a maioria (98%) pertencia a novas espécies do gênero Burkholderia ou a especies de Burkholderia que foram originalmente isoladas de solo enquanto somente 2% dos isolados pertenciam ao complexo B. cepacia.
No capítulo5, a influencia dos manejos agrícolas da população total de Burkholderia foi avaliada através da análise multivariada dos perfis de PCR-DGGE obtidos de amostra de solo coletadas no campo experimental. Com isso, observou-se que, a conversão de pastagem permanente para solo sob cultivo, no que se refere à estrutura da comunidade de Burkholderia no solo, foi atingida após quatro anos de experimentação. Entretanto, o tempo necessário para converter a estrutura de comunidade de Burkholderia associada com solo sob cultivo áquela associada com a pastagem permanente foi superior a duração do experimento. Além disso, através da análise da direção e da extensão da conversão da conversão de pastagem para área sob cultivo (), foi possível observar que práticas agrícolas () usadas neste manejos agrícola, alteraram a estrutura da comunidade de Burkholderia mais eficientemente que o tipo de manejo agrícola. Com o intuito de associar manejo agrícola com um grupo funcional dentro do gênero Burkholderia, foram obtidos isolados com potencial para o controle biológico do fungo fitopatogênico Rhizoctonia solani AG3, um importante patógeno da culturas da batata. Os resultados indicaram que isolamento de estirpes antagonistas de Burkholderia e que a pastagem permanente possui uma reserva de espécies de Burkholderia com grande potencial para uso agrícola.
Capítulo6 contém o resumo do trabalho realizado durante essa tese, juntamente com as respostas às questões cientificas levantadas no capitulo 1 e possíveis alternativas para estimular a população de espécies antagonistas de Burkholderia e, com isso aumentar a supressividade do solo a doenças.
Os resultados obtidos no presente trabalho permitem concluir que o histórico de cultivo do solo tem um grande efeito sobre a estrutura da comunidade de Burkholderia e o período de tempo necessário para superar esse varia em função do tipo de conversão. Adicionalmente, o uso de práticas agrícolas, tais como adubação e aragem, tem papel importante na aceleração do processo de conversão. Através da análise da população culturável de Burkholderia, observou-se que a diversidade deste gênero de bactérias era afetada principalmente por mudanças nos manejos agrícolas, sendo maior nas áreas que tinham o mesmo histórico or elo mesmo 24 anos (solo sob cultivo contínuo e pastagem permanente). A pastagem permanente, alem de apresentar alta diversidade, também teve um grande efeito estimulação de espécies de Burkholderia com potencial para controle biológico. MenosThe genus Burkholderia represents an interesting group of bacteria that can be found in many different habitats, from soil to to water, as well as in close association with plants, fungi, insects (ants) and other animals, including human belings. The degreee of interaction apparently depends on the organism Burkholderia in associated with. In the case of fungi and ants, a symbiotic relationsship has been established, and both hosts benefit from the presence of Burkholderia. In contrats, the association of Burkholderia with animals and humans can be deleterious to the host. The bacteria can act as pathogens, causing diaseases knowm as 'glanders' and 'meloidosis', or as opportunistic pathogens in people with cystic fibrosis (mainly species belonging to the so called B. cepacia complex). Regarding Burkholderia and plants, the association is mainly beneficial, although a few species are phytopathogenic. Non-pathogenic Burkholderia species generally colonise the rhizosphere soil (soil closely adhered to plant roots), but some species are even found inside plant tissues. In return, Burkholderia species can stimulate plant growth, contribute to plant nutricion by fixing atmospheric nitrogen and protect plants from pathogens by producing antibiotic compounds. In the latter case, Burkholderia species act as biological control agents of soil -boene plant pathogens, reducing or eliminating the use of chemical pesticides in agriculture, which brings not only economical, but also ecolo... Mostrar Tudo |
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Bactéria; Solo. |
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Thesaurus Nal: |
Burkholderia; soil. |
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