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Please use this identifier to cite or link to this item: http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/10537

Title: Land-use change and soil bacterial communities in the Eastern Amazon: implications for biodiversity conservation and ecosystem function
Other Titles: Mudanças no uso da terra e comunidades bacterianas do solo na Amazônia Oriental: implicações sobre conservação da biodiversidade e funções do ecossistema
???metadata.dc.creator???: Carvalho, Teotonio Soares de
???metadata.dc.contributor.advisor1???: Moreira, Fatima Maria de Souza
???metadata.dc.contributor.advisor-co1???: Tiedje, James M.
???metadata.dc.contributor.advisor-co2???: Jesus, Ederson da Conceição
???metadata.dc.contributor.referee1???: Tiedje, James M.
???metadata.dc.contributor.referee2???: Bardgett, Richard D.
???metadata.dc.contributor.referee3???: Ostle, Nicholas J.
???metadata.dc.contributor.referee4???: Tsai, Siu Mui
???metadata.dc.contributor.referee5???: Cardoso, Patricia Gomes
Keywords: Amazon forest
Below-ground biodiversity
Next-generation sequencing
Ammonia oxidizing organisms
Drivers of bacterial community structure
16S rRNA gene
Floresta amazônica
Biodiversidade do solo
Sequenciamento de nova geração
Organismos oxidantes de amônia
Estruturadores das comunidades bacterianas
Gene 16S rRNA
???metadata.dc.date.submitted???: 20-Apr-2015
Issue Date: 23-Oct-2015
???metadata.dc.description.sponsorship???: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Citation: CARVALHO, T. S. de. Land-use change and soil bacterial communities in the Eastern Amazon: implications for biodiversity conservation and ecosystem function. 2015. 130 p. Tese (Doutorado em Ciência do Solo)-Universidade Federal de Lavras, Lavras; Lancaster University, Lancaster, 2015.
???metadata.dc.description.resumo???: Tropical rainforests are the largest global reservoir of biodiversity and regulate global climate and biogeochemical cycles. Soil microorganisms are a key component in the functioning of these environments, but the knowledge of how they are affected by land use intensification and forest degradation is still very limited. In the Brazilian Amazon, land use intensification considerably changes chemical properties, especially acidity, which are known to affect soil bacteria. In Paper 01 I studied how soil bacteria community structure changes along a comprehensive gradient of land use intensity (mechanized agriculture, pasture, secondary forest, disturbed primary forest, and undisturbed primary forest) in the eastern Amazon using next-generation sequencing. I predicted that alpha diversity would be higher in more intensive land uses, but that beta diversity would be reduced, indicating a homogenization of the soil bacterial community. However, that was only supported for alpha diversity because, in general, all components of diversity were higher in more intensive land uses. Soil pH was a strong predictor of alpha diversity, with a linear increase in operational taxonomic units number with increases in soil pH, which was also related to land use intensification. Beta diversity was also positively associated with heterogeneity of the soil acidity, higher in more intensive land uses. Finally, land use intensification imposes considerable shifts in bacterial community structure, which is also related to changes in soil fertility. Land use also affects the predicted functional traits of the community, which is expected to affect ecosystem processes. In Paper 02, I further evaluated whether changes in bacterial community structure associated with land use intensification can alter their stability to drought. For that, I applied a dry/rewet treatment on microcosms taken from four land uses (mechanized agriculture, pasture, secondary forest, and undisturbed primary forest) in the eastern Amazon. I observed that soil bacteria were completely insensitive to a two-month simulated drought, regardless of the land use. Similarly, the process of ammonia oxidation did not change with the dry/rewet treatment. These results suggest that bacteria from these soils are equally adapted to these events in all land uses. Papers 03 and 04 were dedicated to advance some of the methodological limitations that I faced during this work. The first presents a tool to design primers (for polymerase-chain reaction – PCR) for genes of functional relevance, especially developed for gene-targeted metagenomics. In this approach, primers are not necessarily designed from the same position in the alignment and can differ in size, contrary to the frequently used degenerate primers. Furthermore, this tool takes into account thermodynamic properties of the primers to ensure compatibility among them. I tested this tool on the archaeal ammonia monooxygenase subunit A (amoA). Results from in silico PCR indicate good coverage (~80%) and high specificity of the designed primers. When tested on DNA extracted from Amazonian soil, these primers allowed the amplification of fragments with the expected length, indicating their suitability for complex samples like soil. In Paper 04, I explore some properties of an index commonly used for studies of stability in soil (as in Paper 02). I describe novel properties of the resilience and resistance indices that were not mentioned in the original or any subsequent work. These properties may cause spurious/erroneous conclusions. I provide recommendations that avoid such problems for both indices.
Abstract: As florestas tropicais são as principais reservas mundiais de biodiversidade e regulam o clima e os ciclos biogeoquímicos no planeta. Os microrganismos do solo são componentes-chave para o funcionamento desses ecossistemas, mas o conhecimento de como eles são afetados pela intensificação do uso da terra e pela degradação de florestas ainda é muito limitado. Na Amazônia brasileira, a intensificação do uso da terra altera consideravelmente as propriedades químicas do solo, especialmente a acidez, fatores que conhecidamente afetam as bactérias do solo. No Capítulo 02 eu avaliei como a estrutura das comunidades de bactérias do solo muda ao longo de um gradiente abrangente de intensidade de uso da terra (agricultura mecanizada, pastagem, floresta secundária, floresta primária perturbada, floresta primária não perturbada) na Amazônia oriental usando sequenciamento de nova geração. Eu esperava que a diversidade alfa de bactérias fosse maior em usos da terra mais intensivos, mas que a diversidade beta fosse reduzida, indicando uma homogeneização da comunidade bacteriana do solo. Entretanto, isso foi apenas confirmado para a diversidade alfa porque, em geral, todos os componentes de diversidade foram maiores em sistemas de uso mais intensivos. O pH do solo foi um forte preditor da diversidade alfa, com um aumento linear no número de unidades taxonômicas operacionais com aumentos no pH do solo, que também foi relacionado à intensificação do uso da terra. A diversidade beta também foi positivamente associada à heterogeneidade da acidez do solo, maior em sistemas de uso mais intensivos. Finalmente, a intensificação do uso da terra também impõe mudanças consideráveis na estrutura das comunidades bacterianas, que também se relaciona com mudanças na fertilidade do solo. O uso da terra também afeta os atributos funcionais preditos para a comunidade bacteriana, com possíveis implicações para os processos de ecossistema. No Capítulo 03, eu avaliei se as mudanças na estrutura da comunidade bacteriana associada à intensificação do uso da terra pode alterar a estabilidade delas frente a secas. Para isso, eu apliquei um tratamento de secagem/reidratação em microcosmos originários de quatro usos da terra (agricultura mecanizada, pastagem, floresta secundária e floresta primária) na Amazônia oriental. Eu observei que as bactérias do solo foram completamente insensíveis a dois meses de secagem, independentemente do uso da terra. Da mesma forma, o processo de oxidação de amônia não mudou após o tratamento de secagem/reidratação. Esses resultados sugerem que as bactérias desses solos são igualmente adaptadas a esses eventos em todos os sistemas de uso. Os Capítulos 04 e 05 foram dedicados a avançar algumas das limitações metodológicas que enfrentei durante este trabalho. O primeiro apresenta uma ferramenta para o desenho de iniciadores (para reação em cadeia da polimerase) para genes de relevância funcional, especialmente desenvolvida para metagenômica direcionada a genes específicos. Nesta abordagem, os iniciadores não são necessariamente desenhados a partir de uma mesma posição no alinhamento e podem diferir em tamanho, ao contrário dos iniciadores degenerados frequentemente utilizados. Além disso, esta ferramenta leva em consideração propriedades termodinâmicas dos iniciadores para garantir que eles são compatíveis entre si. Eu testei esta ferramenta na subunidade A do gene da amônia monooxigenase (amoA) de arqueobactérias. Os resultados da PCR in silico indicam uma boa cobertura (~80%) e alta especificidade dos iniciadores desenhados. Quando testados em DNA extraído de solos da Amazônia, esses iniciadores permitiram a amplificação de fragmentos com o comprimento esperado, indicando a capacidade de eles funcionarem em amostras complexas como o solo. No Capítulo 05, eu explorei algumas propriedades de um índice comumente utilizado para estudos de estabilidade no solo (como no Capítulo 03). Eu observei que tanto o índice de resiliência quanto o índice de resistência apresentam propriedades que não foram mencionadas no trabalho original que o descreveu, ou em qualquer dos artigos que os utilizaram. Essas propriedades podem causar conclusões espúrias/errôneas. Eu forneço recomendações que evitam esses problemas para ambos os índices.
Description: Thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy as a Dual Ph.D. with the Departamento de Ciência do Solo, Universidade Federal de Lavras, Brazil, and the Lancaster Environment Centre, Lancaster University, United Kingdom.
URI: http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/10537
Publisher: Universidade Federal de Lavras
???metadata.dc.language???: eng
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