Microbioma y grupos microbianos anaerobios de relevancia ambiental asociados al cultivo de arroz (Oryza sativa)

Abstract

El microbioma asociado a las plantas de interés agrícola, especialmente a nivel de las raíces, juega un papel fundamental en el reciclado de nutrientes y contribuye mediante distintos mecanismos al crecimiento y salud de la planta. En el cultivo de arroz irrigado, la inundación ocasiona una disminución en el potencial redox, generándose rápidamente condiciones anaerobias en el sistema. Mientras el suelo se mantiene en condiciones anóxicas, la entrada de oxígeno a través del aerénquima a nivel de la rizósfera de la planta de arroz crea un ambiente parcialmente óxico en donde conviven procesos anaerobios y aerobios.En este sistema, las bacterias desnitrificantes y las bacterias reductoras de sulfato (BRS) presentan gran relevancia ambiental, ya que participan en el reciclado de nutrientes como el carbono y el nitrógeno e intervienen en los procesos microbianos de producción y consumo de gases de efecto invernadero y de intermediarios metabólicos implicados en la emisión de estos gases.En Uruguay, el arroz es uno de los principales rubros de exportación. El sistema de producción utilizado tradicionalmente en nuestro paıs que se basa en la rotación del cultivo de arroz con varios años de pasturas es considerado de baja intensidad y reducido impacto ambiental, y se cree que éste ha sido la base para la obtención de los excelentes rendimientos alcanzados. La reciente intensificacion en los sistemas de producción arrocera puede modificar la disponibilidad de nutrientes y, por lo tanto, la composición de las poblaciones microbianas presentes tanto en suelo como asociadas a la planta.En esta tesis se llevó a cabo el estudio de las comunidades microbianas de suelo y asociadas a plantas de arroz provenientes de un ensayo de campo, utilizando distintas herramientas moleculares. Se seleccionaron tres sistemas de rotación arrocera con diferente grado de intensificación y se tomaron muestras en dos etapas del desarrollo de la planta y manejo de agua. Mediante secuenciación masiva de genes 16S rRNA, se estudió la dinámica del microbioma bacteriano de suelo, rizósfera y raíces de arroz en los distintos sistemas de rotacion a lo largo del ciclo de cultivo, y se evaluó el efecto de la intensificación sobre estas comunidades.Los resultados obtenidos en este trabajo mostraron que el microbioma asociado al cultivo de arroz se vio determinado principalmente por el nivel de influencia de la planta sobre los distintos nichos asociados a las raíces (suelo, rizósfera y endósfera) y en segundo lugar por las condiciones redox del suelo establecidas luego de la inundación. Los distintos compartimientos presentaron comunidades claramente diferentes, presentando diferentes phyla dominantes. Mientras las comunidades del suelo se vieron dominadas por bacterias de los phyla Acidobacteria (23 %), Proteobacteria (23 %) y Actinobacteria (14 %), el microbioma rizosferico se vio marcadamente enriquecido en proteobacterias (37 %), principalmente Beta y Deltaproteobacteria, y Bacteroidetes (9 %). La comunidad rizosférica resultó significativamente más diversa que la de suelo y endósfera de raíces, presentando la mayor abundancia relativa de la clase Deltaproteobacteria, conocida por comprender una gran variedad de bacterias anaerobias, muchas de ellas reductoras de sulfato. Por su parte, el microbioma endófito de raíces se vio ampliamente enriquecido en proteobacterias (66 %), principalmente por las clases Alpha, Beta y Gammaproteobacteria, y también Firmicutes, mayormente afiliados al orden Clostridiales. Diversas bacterias anaerobias fueron capaces de establecer interacciones fuertes y estables con la planta de arroz a lo largo del ciclo del cultivo (Bacteroidales, Clostridium, Anaeromyxobacter, Geobacter, Desulfovibrio, entre otras), algunos inclusive en etapas tempranas del cultivo previo a la inundación.Mediante un análisis de especies indicadoras (IndVal) se identificaron varias OTUs fuertemente asociadas a alguna de las rotaciones arroceras, tanto en rizósfera como en el interior de las raıces. Estos resultados sugieren que el microbioma asociado a las raíces de arroz podría ser susceptible a la intensificación agrícola, particularmente en taxones que no se encuentran entre los dominantes de estas comunidades.Por otra parte, se optimizaron metodologıas dirigidas a genes funcionales para estudiar la abundancia (qPCR) y diversidad (T-RFLP) de BRS y bacterias desnitrificantes asociados a la planta de arroz en el sistema estudiado. Tanto las BRS como las bacterias desnitrificantes fueron detectadas y cuantificadas en suelo y asociadas a las raíces de arroz como rizosféricos y endófitos, y su abundancia y distribución en los distintos nichos se vio afectadas por el manejo del cultivo y el sistema de rotacion empleado. Las comunidades de BRS y arqueas metanogénicas asociadas al cultivo se vieron fuertemente impactadas por la inundación, incrementando significativamente su abundancia (qPCR de genes dsrA y mcrA, respectivamente) en rizósfera y endósfera para las BRS, y en suelo y rizósfera para el caso de las metanogénicas. De acuerdo con el análisis de secuenciación masiva del gen 16S rRNA, varios grupos taxonómicos conocidos como BRS fueron encontrados formando parte del microbioma de rizósfera de la etapa inundada del cultivo, mientras que el género Desulfovibrio fue el taxón dominante en el microbioma endofito de raíces de arroz. Las comunidades desnitrificantes tipo nirK y nirS presentaron distinta dinámica a lo largo del ciclo y frente a las distintas rotaciones. De acuerdo a la cuantificacion de genes nirK y nirS realizada por qPCR, las poblaciones tipo nirK dominaron en todos los nichos estudiados frente a las tipo nirS, y su abundancia se vio afectada tanto por los cambios que se dan durante el ciclo del cultivo como por las distintas rotaciones evaluadas. Por el contrario, la abundancia de las poblaciones tipo nirS se mantuvo constante en cada uno de los nichos a lo largo del ciclo y en los diferentes sistemas de rotación. Aunque la comunidad tipo nirS endófita presentó la menor abundancia, su diversidad (evaluada mediante T-RFLP de este gen) resultó significativamente mayor a la presente en rizósfera.Esta tesis aporta información relevante sobre la ecologıa de las comunidades bacterianas asociadas al cultivo de arroz, y en particular, de grupos fisiológicos anaerobios fundamentales en las transformaciones biogeoquímicas de nutrientes esenciales en este ecosistema.Los resultados obtenidos sugieren que los microorganismos anaerobios rizosféricos y endóitos constituyen una parte importante del microbioma asociado a la planta de arroz y podrían desempeñar un rol relevante a lo largo del ciclo de cultivo.