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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.64.2020.tde-10022020-100957
Documento
Autor
Nome completo
Leandro Nascimento Lemos
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Piracicaba, 2019
Orientador
Banca examinadora
Mui, Tsai Siu (Presidente)
Cotta, Simone Raposo
Andreote, Fernando Dini
Varani, Alessandro de Mello
Título em inglês
Integrative and in silico modeling of multi-omics data of Archaea and Bacteria phyla in Amazon soils
Palavras-chave em inglês
Amazon tropical soils
Bioinformatics
Microbial Ecology
Microbiome
Soil microbiology
Resumo em inglês
A large scale of multi-omics datasets, that have been generated in various microbiome projects, such as the "Dimensions US-BIOTA-Sao Paulo: Collaborative Research: Integrating Dimensions of Microbial Biodiversity across Land Use Change in Tropical Forests (FAPESP 2014/50320-4)", require a quantitative interpretation of the interactions among the three dimensions (phylogenetic, genetic and functional) of microbial diversity. This thesis was based on the need to use an integrated computational approach to investigate the role of Bacteria and Archaea in Amazon soils, using massive sequencing technologies, bioinformatics and reconstruction of genomes from metagenomes (MAGs) to understand not only the diversity, but also the evolution, metabolism and biogeography distribution. Firstly, in the Chapter 1 we introduced an overview of the main topics covered in this thesis. Then, we outlined the main approaches applied for microbiome studies based on high-throughput sequencing technologies and we introduced the most commonly used strategies for bioinformatics analyses and data integration. In the third chapter, the application of an integrative approach allowed us to discover that the nitrogen-related traits associated with nitrification in Archaea (e.g. ammonia oxidation) metabolism seems to be a derived character and emerged late in the diversification of the Thaumarchaeota (Archaea) group. Furthermore, after analyzing more than 27,000 public environmental samples, we discovered that the non-ammonia oxidizing clade has habitat-specific subgroups (e.g. Group 1.1c is more specific for soils and non-saline sediments). We also described the first Thaumarchaeota genome from tropical soils. Additionally, in the fourth chapter we discovered that the small-sized genome was a trait of the new CPR/Patescibacteria (Bacteria) phyla in cattle-pasture of Amazon soils. We also expanded the range of environments within the radiation of this new bacterial group appears and highlight the importance of MAGs methods for the expansion of reference databases. Lastly, chapter five explored the effects of forest-to-pasture conversion and an increase in soil moisture levels on Archaea composition in Amazon soils. Our results indicated that the community alterations caused by the higher soil moisture levels are most pronounced in the pasture, where communities were more sensitive, enhancing the potential of methanogenesis, while forest may act as buffers during the rainy season and harbors more stable communities. This thesis highlights the importance of the use of advanced bioinformatics tools and integrated computational approaches for a better understanding of the evolutionary processes, metabolic pathways and environmental distribution of complex soil microbiome members
Título em português
Modelagem integrativa e in silico de dados multi-ômicos de filos de Archaea e Bacteria em solos amazônicos
Palavras-chave em português
Bioinformática
Ecologia Microbiana
Microbiologia de Solo
Microbioma
Solos tropicais amazônicos
Resumo em português
A enorme quantidade de dados multi-ômicos gerados em projetos de microbiomas, tais como o projeto "Dimensões US-BIOTA - São Paulo: pesquisa colaborativa: integrando as dimensões da biodiversidade microbiana ao longo de áreas de alteração do uso da terra em florestas tropicais (FAPESP 2014/50320-4)", requer uma interpretação quantitativa das interações entre às três dimensões (filogenética, genética e funcional) da diversidade microbiana. O objetivo geral desta tese foi aplicar uma abordagem computacional integrativa para investigar o papel ecológico de Archaea e Bacteria de solos amazônicos, usando tecnologias de sequenciamento massivo de DNA, bioinformática e reconstrução de genomas a partir de metagenomas (MAGs), para entender não apenas a diversidade ecológica, mas também a evolução, o metabolismo e a distribuição biogeográfica. No primeiro capítulo, apresentamos uma visão geral dos principais tópicos abordados nesta tese. Depois, discutimos as principais abordagens comumente usadas em análises de bioinformática e na integração de dados gerados em estudos de microbiomas. No terceiro capítulo, a aplicação de uma abordagem integrativa nos permitiu descobrir que os traços funcionais associados a nitrificação, em Archaea (e.g., oxidação da amônia), pode ser um caráter derivado, que emergiu depois da diversificação das Thaumarchaeota (Archaea). Além do mais, analisando mais de 27.000 amostras ambientais, que estão depositadas em bancos de dados públicos, descobrimos que o grupo de Thaumarchaeota não-oxidadoras de amônia tem uma especificidade por determinados habitats (e.g., Group 1.1c é mais específico de solos e sedimentos não-salinos). Neste estudo, descrevemos pela primeira vez um genoma de Thaumarchaeota de solos tropicais. Adicionalmente, no capítulo quatro os resultados indicaram que os membros do filo CPR/Patescibacteria (Bacteria), identificados em solos de pastagem da Amazônia, apresentam genomas pequenos. Estes resultados também expandem a diversidade de ambientes dentro da distribuição deste novo grupo bacteriano. O terceiro e quarto capítulo destacam a importância dos métodos de reconstrução de genomas a partir de dados metagenômicos para a expansão dos bancos de dados de genomas de referência. Por último, no Capítulo 5, exploramos o efeito da conversão de floresta-em-pastagem e o aumento dos níveis de umidade do solo na composição de Archaea em solos amazônicos. Nossos resultados indicam que as alterações causadas pelos maiores níveis de umidade do solo são mais pronunciadas em pastagens, onde as comunidades foram mais sensíveis, aumentando o potencial de metanogênese, enquanto a floresta pode atuar como "buffer" durante a estação chuvosa e abrigar comunidades mais estáveis. Esta tese destaca a importância do uso de ferramentas avançadas de bioinformática e de abordagens computacionais integradas para uma melhor compreensão dos processos evolutivos, vias metabólicas e distribuição ambiental de microrganismos de microbiomas complexos
 
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Data de Publicação
2020-03-09
 
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