The impact of land use change on the soil microbiome involved in the carbon and phosphorus cycles in a tropical ecosystem from Guinea-Bissau

Abstract

O solo contém cerca de um quarto da biodiversidade da Terra, e nele vivem microrganismos que contribuem para as várias funções de suporte de vida desempenhadas pelo solo, tais como transformação do carbono, manutenção dos ciclos dos nutrientes, formação da estrutura do solo e regulação da biodiversidade (biocontrolo), todas elas importantes para a fertilidade dos solos, e, consequentemente, para a produção de alimentos e fibras para consumo humano. Em relação aos parâmetros avaliados aquando da transformação da floresta tropical nativa, percebeu-se que a comunidade metanotrófica varia significativamente, afetando o ciclo do carbono, e que a atividade fosfatásica também, afetando o ciclo do fósforo. As zonas tropicais, em particular as florestas tropicais, principalmente os seus solos, têm sido muito pouco estudados, especialmente quando comparados com as zonas temperadas. Daí que se saiba muito pouco sobre os efeitos da sua conversão em terrenos agrícolas. Os solos tropicais são marcadamente diferentes dos solos temperados. São frágeis e propensos à degradação, especialmente quando há perda de vegetação, caracterizados pela forte presença de óxidos de ferro e alumínio, e pouco fósforo. Os principais problemas que enfrentam são a deposição de poeiras, devido aos ventos Harmattan que trazem resíduos do deserto do Saara, as queimadas, a desflorestação, a erosão do solo, o sobrepastoreio e a seca. Mudanças no uso e gestão do solo são as maiores ameaças à sua biodiversidade e às suas funções, sendo por isso que se procurou estudá-las neste projeto. Em conjunto com as alterações climáticas, a crescente intensificação da agricultura põe em causa a funcionalidade dos solos, contribuindo para a sua degradação e consequente perda de produtividade agrícola. Vários estudos apontam para uma perda generalizada da biodiversidade do solo com a intensificação da agricultura, o que pode ter consequências a nível da sua fertilidade uma vez que são os microrganismos os responsáveis pela reciclagem de nutrientes do solo. Os ciclos biogeoquímicos controlam a disponibilidade de nutrientes que são absorvidos pelas plantas e dependem da atividade de comunidades especificas de microrganismos do solo que transformam as várias formas de nutrientes, determinando a fertilidade dos solos e a produção agrícola. Neste projeto procurou avaliar-se o impacto da agricultura no microbioma do solo envolvido nos ciclos do carbono e do fósforo em solos tropicais. Os usos do solo avaliados foram floresta tropical nativa, campo de cultivo de amendoim e cajual. As amostras foram recolhidas na região de Quinhámel, GuinéBissau, foram recolhidas 5 amostras de solo da floresta tropical nativa, 5 do cajual e 5 do amendoinzal, durante a época húmida, mais concretamente em Outubro de 2022. . Na Guiné-Bissau, tanto o amendoim quanto o caju são culturas de elevado impacto económico. O amendoim, Arachis hypogaea L., é cultivado em toda a área tropical e intertropical. Cerca de 60% da produção de amendoim de África vem da África Ocidental. Para países como a Guiné-Bissau, o caju, Anacardium occidentale L., representa uma porção bastante significativa das receitas (94.8%) da exportação do país, sendo este um dos maiores produtores mundiais Os processos biogeoquímicos que regulam o ciclo do carbono (C) e do fósforo (P) são ainda pouco conhecidos, principalmente devido à falta de indicadores microbianos adequados. Estudos recentes identificaram vários genes marcadores que constituem bons indicadores dos processos biogeoquímicos associados com o ciclo do C e do P. Estes genes codificam proteínas que catalisam as transformações entre as várias formas de C e P no solo e são chamados de “functional genes”. Vários destes genes têm sido usados como marcadores moleculares para quantificar a abundância das comunidades microbianas envolvidas nas várias etapas dos ciclos biogeoquímicos, por sua vez constituindo indicadores das principais transformações que estão a ocorrer nesse ecossistema. Os genes funcionais avaliados foram, para o ciclo do carbono, pmoA, GH6 cellulase, mcrA, pcaH e β-glus, e, para o ciclo do fósforo, phoD. Estes genes codificam, respetivamente, as proteínas particlate methane monooxygenase (pMMO), celulase da família GH6, methyl coenzyme reductase (MCR), protocatechuate 3,4-dioxygenase (3,4- PCD), β-glucosidase e fosfatase alcalina (ALP). Assim, este projeto teve como objetivo avaliar como é que a abundância dos microrganismos pertencentes a cada grupo funcional relacionado com o ciclo do C e do P se alterou quando um ecossistema natural, ou seja, a floresta tropical nativa, é convertida para uso agrícola, nomeadamente, para a produção de amendoim e caju. Como principais técnicas, foram usadas técnicas de biologia molecular tais como, extração de DNA a partir de solo, eletroforese em gel de agarose, PCR, clonagem, sequenciação de DNA, PCR quantitativo em tempo-real (qPCR), determinação de atividades enzimáticas, entre outras. A abundância de genes taxonómicos e funcionais, bem como as atividades enzimáticas, foram quantificadas e comparadas nos três usos do solo. As atividades da fosfatase e da β-glucosidase foram quantificadas nas amostras de solo usando para-nitrofenol (p-NP) como substrato. A abundância de genes funcionais pmoA, GH6 cellulase, mcrA e phoD, bem como dos genes taxonómicos 16S rRNA bacteriano e ITS fúngico, foi quantificada por qPCR usando DNA extraído do solo. Os genes 16S rRNA bacteriano e ITS fúngico são genes taxonómicos, fornecendo informações sobre a quantidade total de bactérias e fungos no microbioma do solo. O DNA foi extraído das amostras de solo, os fragmentos de genes-alvo foram amplificados por PCR usando primers específicos selecionados a partir da literatura existente, purificados e clonados num plasmídeo. Os fragmentos dos genes alvo foram sequenciados para confirmar a sua identidade e o DNA plasmídico foi linearizado e usado para construir as retas de calibração (diluições seriadas) para quantificação de cada um dos genes-alvo por qPCR. Relativamente aos genes taxonómicos, 16S rRNA bacteriano ((3.80×1012 a 4.42×1012 gene copies / g of soil) e ITS fúngico (3.77×107 a 6.92×107 gene copies / g of soil), os resultados mostram não haver diferenças significativas no que diz respeito à sua abundância entre os diferentes usos do solo, o que indica que o total da população de bactérias e fungos no microbioma do solo não se alterou significativamente quando a floresta tropical nativa foi transformada em campos de amendoim e cajual. No que respeita ao ciclo do C, a atividade da β-glucosidase (0.77 µmol a 1.51 µmol pNP / g of soil / h), indicadora da taxa de degradação de celulose, não mostrou diferenças entre os três usos do solo. De igual modo, não foram também encontradas diferenças significativas na abundância do gene GH6 cellulase (3.38×106 a 4.42×106 gene copies / g of soil), envolvido na degradação da celulose, o que sugere que esta degradação não é significativamente afetada pela conversão da floresta em campos agrícolas para a produção de caju e amendoim. A abundância do gene pmoA (5.10×105 a 1.03×106 gene copies / g of soil), biomarcador da comunidade metanotrófica, variou significativamente entre os microbiomas do solo da floresta nativa e do campo de amendoim, e do cajual. Observou-se maior abundância do gene pmoA no microbioma do solo do cajual. Este resultado parece sugerir que neste uso do solo, existe uma maior presença de bactérias metanotróficas do que na floresta nativa. O mesmo não se verificou para os organismos metanogénicos, uma vez que a abundância de mcrA (6.62×106 a 8.82×107 gene copies / g of soil) não variou significativamente entre os vários usos do solo estudados. Os resultados parecem então sugerir que o cajual se comporta como um sink de metano. Relativamente ao ciclo do P, a atividade da fosfatase (4.14 a 6.12 µmol pNP / g of soil / h), indicativa da mineralização do P, foi afetada pelo uso do solo, diminuindo significativamente após conversão da floresta nativa em campo de produção de amendoim, o que pode indicar uma maior mineralização de P orgânico na floresta do que nas culturas agrícolas. No entanto, o mesmo não se observou com o gene phoD (2.24×106 a 2.99×106 gene copies / g of soil), bioindicador da mineralização do fósforo, o que poderá indicar que embora a atividade da enzima tenha variado significativamente, a quantidade de microrganismos com este gene não. Resumidamente, o presente trabalho mostra que tanto o ciclo do carbono quanto o ciclo do fósforo, e os microorganismos neles envolvidos, foram significativamente afetados pelas mudanças que a floresta tropical nativa sofreu quando foi convertida nos terrenos agrícolas (campo de amendoim e caju), uma vez que tanto a abundância do gene pmoA quanto a atividade da fosfatase mostraram diferenças significativas entre os usos do solo.

Approximately 30% of the Earth's land surface is covered by forests, home to microbial soil communities that are both highly diverse and poorly studied, especially in tropical regions and particularly in Africa. It has already been established that one of the biggest threats to soil biodiversity is land management, particularly the conversion of native forests into agricultural land. In this project, the impact of land use change on the soil microbial communities involved at the carbon (C) and phosphorus (P) cycles in the tropical soils of Guinea-Bissau was studied. This was done by quantifying, through qPCR, both taxonomic (bacterial 16S rRNA, fungal ITS and archaeal 16S rRNA) and functional genes that encode enzymes involved in processes like decomposition of plant litter (e.g. β-glu, GH6 cellulase and pcaH), methane consumption and production (e.g. pmoA and mcrA) and phosphorus mineralization (phoD) in soil samples from three different land uses systems (native tropical forest, cashew plantation and peanut field) at Guinea-Bissau. Additionally, soil enzymatic activities, namely βglucosidase (carbon cycle) and phosphatase activity (phosphorus cycle) were assessed. The results, a significant higher abundance of pmoA in the cashew field and a significantly lower phosphatase activity in the peanut field, showed that forest conversion into agricultural fields significantly affects microorganisms involved in the carbon and phosphorus cycles. Although fertilizers and mechanical tillage are rarely used, the manual tillage and initial slash-and-burn practices are sufficient to notably impact methanotrophs (part of the carbon cycle) and phosphatase activity (linked to the phosphorus cycle). This suggests that transforming native tropical forests in Guinea-Bissau into agricultural fields significantly alters the soil microbiome responsible for nutrient cycling. However, these practices do not result in substantial changes to the overall abundance of bacteria and fungi in the soil.