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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.11.2015.tde-21092015-161035
Document
Author
Full name
Stalin Wladimir Sarango Flores
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2015
Supervisor
Committee
Mendes, Rodrigo (President)
Taketani, Rodrigo Gouvêa
Mui, Tsai Siu
Title in Portuguese
Composição e funcionalidade do microbioma da rizosfera de feijão selvagem e cultivado
Keywords in Portuguese
Comunidades microbianas
Feijão selvagem
Metagenoma
Rizobactérias
Abstract in Portuguese
O processo de domesticação e posterior melhoramento das plantas cultivadas foram essenciais para o sustento do crescimento populacional observado na recente história da humanidade. Porém, no processo de melhoramento das culturas não foi considerado o importante papel que o microbioma rizosférico desempenha nas plantas. Neste contexto, esta pesquisa foi direcionada ao estudo do microbioma rizosférico do feijoeiro, considerando um genótipo selvagem e outro cultivado, a fim de determinar a composição e funcionalidade do microbioma em cada rizosfera. Assim, para testar a hipótese de que materiais ancestrais têm maior capacidade de hospedar micro-organismos benéficos na rizosfera quando comparados a cultivares modernas, os genótipos de feijão cultivado IAC Alvorada e selvagem Wild Mex foram cultivados em Terra Preta da Amazônia (TPA), solo caracterizado por abrigar uma grande diversidade microbiana. O DNA total do solo rizosférico de cada genótipo de feijão e do bulk soil foi extraído para realizar o sequenciamento metagenômico usando a plataforma Illumina MiSeq. O solo rizosférico também foi usado para isolar e selecionar bactérias antagonistas a fungos radiculares patógenos do feijoeiro, Rhizoctonia solani e Fusarium oxysporum f. sp. phaseoli. A abordagem dependente de cultivo permitiu recuperar 11 bactérias que apresentaram atividade antagônica in vitro contra os patógenos avaliados, os isolados bacterianos foram identificados como pertencentes aos gêneros Streptomyces, Kitasatospora, Alcaligenes, Achromobacter, Pseudomonas, Stenotrophomonas, Brevibacillus e Paenibacillus. A abordagem independente de cultivo revelou que a composição da comunidade microbiana na rizosfera do feijão selvagem Wild Mex foi caracterizada pela maior abundância relativa dos filos bacterianos Acidobacteria, Verrucomicrobia, Gemmatimonadetes, e do filo fúngico Glomeromycota quando comparada com a composição da rizosfera do genótipo cultivado IAC Alvorada, a qual foi constituída em maior proporção pelos filos bacterianos Firmicutes, Planctomycetes, Deinococcus-Thermus e pelo filo fúngico Ascomycota. No nível taxonômico de gênero, a comunidade microbiana da rizosfera do feijão selvagem Wild Mex apresentou maior frequência relativa de gêneros fixadores do nitrogênio, nitrificadores, antagonistas e promotores do crescimento vegetal. A rizosfera do feijão selvagem Wild Mex apresentou maior abundância relativa de funções relacionadas à fixação do nitrogênio, produção de sideróforos e de ácido indol acético (AIA), quando comparada com o genótipo cultivado IAC Alvorada. O padrão de distribuição observado na análise de ordenação das funções no microbioma da rizosfera do feijão selvagem Wild Mex foi diferente do padrão encontrado no bulk soil e na rizosfera do feijão cultivado IAC Alvorada. Os resultados indicaram que o genótipo selvagem é mais seletivo no recrutamento de micro-organismos e funções na rizosfera quando comparado com o cultivar moderno. Em conclusão, os resultados revelaram que o processo de domesticação e melhoramento genético das plantas cultivadas potencialmente debilitou a capacidade do hospedeiro em selecionar e sustentar micro-organismos e funções benéficas na rizosfera.
Title in English
Composition and functionality of the wild and cultivated common bean rhizosphere microbiome
Keywords in English
Metagenome
Microbial communities
Rhizobacteria
Wild common bean
Abstract in English
The process of domestication and subsequent plant breeding were key to support human population growth over the last decades. However, plant breeding has neglected the important role of the rhizosphere microbiome on plant performance. In this context, this research aimed the study of common bean rhizosphere microbiome in a wild and in a cultivated genotype to determine the composition and functionality of their microbial community. We tested the hypothesis that ancestor materials have higher ability to host beneficial microorganisms in the rhizosphere when compared to modern cultivars. The common bean genotype IAC Alvorada and wild common bean Wild Mex were grown in highly biodiverse soil (Amazonian Dark Earth - ADE) and the total DNA from bulk soil and each common bean rhizosphere was extracted for sequencing by using Illumina MiSeq platform. In addition, rhizosphere soil was also used to isolate and select antagonistic bacteria against soil borne pathogens Rhizoctonia solani and Fusarium oxysporum f. sp. phaseoli. Using cultivation-dependent approach, 11 bacteria were isolated and showed antagonistic in vitro activity against the evaluated pathogens. The bacterial isolates were identified belonging to Streptomyces, Kitasatospora, Alcaligenes, Achromobacter, Pseudomonas, Stenotrophomonas, Brevibacillus and Paenibacillus genus. The cultivation- independent approach revealed that microbial community composition in the Wild Mex bean rhizosphere was characterized by higher relative abundance of bacterial phyla Acidobacteria, Verrucomicrobia, Gemmatimonadetes and fungal phylum Glomeromycota when compared with IAC Alvorada cultivated bean, which showed a higher relative abundance of bacterial phyla Firmicutes, Planctomycetes, Deinococcus-Thermus and fungal phylum Ascomycota. Wild Mex rhizosphere microbiome showed higher relative frequency of nitrogenfixing, nitrifying, antagonists and plant growth promoting microorganisms. The wild bean also showed higher relative abundance of functions related to nitrogen fixation, siderophore and indole acetic acid (IAA) production, when compared with IAC Alvorada bean. The distribut ion pattern observed in the functions ordination analysis of Wild Mex was different from the bulk soil and IAC Alvorada patterns. The results showed that wild genotype is more selective for recruiting microorganisms and functions in the rhizosphere when compared with modern cultivar. In conclusion, the results revealed that domestication and plant breeding potentially undermined rhizosphere microbiome composition and functions debilitating the host's abilit y to select and support beneficial microbes.
 
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Publishing Date
2015-09-30
 
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