Regulación microbiana de los ciclos biogeoquímicos involucrados en la emisión de gases de efecto invernadero en suelos agrícolas

Transcripción

1 Regulación microbiana de los ciclos biogeoquímicos involucrados en la emisión de gases de efecto invernadero en suelos agrícolas Integrantes del grupo de investigación CSIC: Fernández 1, A.; Ferrando 1, L.; Oreggioni 1, D.; Martínez 1, A.; Pereira 1, L.; Ghiazza 1, C.; Illarze 2, G.; Tarlera 1, S.; Irisarri 2, P. 1 Laboratorio de Ecología Microbiana Medioambiental, Departamento de Biociencias, Facultad de Química, UdelaR. 2 Cátedra de Microbiología, Departamento de Fisiología Vegetal, Facultad de Agronomía, UdelaR afernand@fq.edu.uy Ana Fernández Scavino

2 Objetivo: Caracterizar sistemas de rotaciones de cultivos de arroz respecto a la emisión de GEI y a la dinámica microbiana del suelo Por qué? Uruguay Dónde? 8vo Exportador del mundo Plataforma de Producción y Sustentabilidad Ambiental Experimento de Largo Plazo en la Unidad Experimental Paso de la Laguna, INIA Treinta y Tres

3 Emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) en cultivos de arroz y cultivos de secano N2O CO2 CH4 CH4 N2O CH4 CO2 CH 4 : Potencial de calentamiento global 23 veces mayor al CO2 Condiciones anaerobias: inundación N 2 O: Potencial de calentamiento global ~10 veces mayor al CH 4 Condiciones de transición óxicoanóxico y fertilización

4 Actividad microbiana: Flujos de GEI durante el cultivo de arroz Anóxico Óxico O 2 CH 4 N 2 CH 4 Aerénquima N 2 O O 2 Materia orgánica CO 2 Metanogénesis Metanotrofía CH 4 CH 4 + O 2 Nitrificación Desnitrificación NH + 4 NO - 3 NO - 2

5 Antecedentes de medidas de emisiones de GEI en Uruguay CH 4 N 2 O Sci. Agric., 73,

6 SISTEMAS DE ESTUDIO: 3 ROTACIONES CON DIFERENTE INTENSIDAD DE USO DE SUELO

7 EMISIÓN DE CH4: influencia del uso previo del suelo CH4/(g/ha.d) Suelos con Arroz -Diciembre a b a ab g CH4/ha*día 2,5E+4 2,0E+4 1,5E+4 1,0E+4 R1-Az R4-Az1 R4-Az2 R6-Az 5,0E+3 0,0E+0-5,0E+3 DIC FEB MAR Momento de muestreo 2015/2016 R1-Az R4-Az1 R4-Az2 R4-P3 R6-Az R6-Sj R1: Az continuo; R4: Az/Pastura; R6: Az/Sj

8 CUANTIFICACIÓN DE POBLACIONES QUE PRODUCEN O CONSUMEN METANO ab a ab b Abundancia de poblaciones del ciclo del metano ab ab c B a A bc AB bc A abc AB ab A

9 Agrupamiento de tratamientos por cuantificación molecular de poblaciones microbianas claves y emisiones de metano DATOS Emisión de CH4 Cuantificación de poblaciones (genes) pmoa (consumo CH4) mcra (producción de CH4) nirs y nirk (desnitrificación) nosz (consumo de N2O) 16S rrna (Bacterias totales) 16S rrna (Archaeas totales) Arroz de primer año 70% similitud No Arroz Arroz de segundo año

10 Different sampling for different analysis E: Emergence F: Flooding DAE: Days after emergence Repr: Reproductive stage Ri: Ripening stage Evaluated parameters CH 4 emission N 2 O emission NO - 3 NH + 4 ph qpcr specific genes Redox potential* Organic Carbon* Community composition analysis by NGS (Next Generation Sequencing)

11 Metodología: Secuenciación masiva de genes ambientales amplificados para caracterizar la diversidad taxonómica (16S rrna) y funcional de bacterias Objetivo específico: Diversidad taxonómica y capacidad metabólica de microorganismos en diferentes etapas del cultivo y sistemas rotación

12 Set de datos de secuenciación masiva del gen 16S RNAr 6 estadíos x 3 bloques x 3 momentos de muestreo : 54 muestras 4.8 x 10 6 secuencias totales 6000 OTUs totales Cut off 97% Secuenciación masiva en la plataforma Illumina MiSeq

13 Set de datos de secuenciación masiva del gen 16S RNAr Proporción relativa de OTUs en las muestras OTUs predominantes

14 Set de datos de secuenciación masiva del gen 16S RNAr Proporción de secuencias de los Dominios Archaea y Bacteria 4.6 x 10 6 secuencias Bacterias 5.4 x 10 4 secuencias Archaea

15 Set de datos de secuenciación masiva del gen 16S RNAr Principales Phylum y Clases dentro de las Archaea y de las Bacteria

16 Distribución de todas las muestras de acuerdo a la composición de OTUs Circle: Rice (4 samples) R1Az R4 Az1 R4 Az2 R6 Az Triangle: Pasture (1 sample) Cross: Soybean (1 sample) Each sample: 3 sampling times x 3 blocks R1: Az continuo; R4: Az/Pastura; R6: Az/Sj

17 Distribución de muestras de arroz de acuerdo a la composición de OTUs: Efecto del momento de muestreo R1Az R4 Az1 R4 Az2 R6 Az Dic 2015 Feb 2016 R1: Az continuo; R4: Az/Pastura; R6: Az/Sj + Jul 2016

18 Distribución de muestras de arroz de acuerdo a la composición de OTUs: Efecto del momento de muestreo y Factores que inciden Dic 2015 Feb Jul 2016 R1: Az continuo; R4: Az/Pastura; R6: Az/Sj

19 Distribución de muestras de arroz de acuerdo a la composición de OTUs: Efecto del uso previo del suelo R1Az : 1, 7, 13 R4 Az1 : 2, 8, 14 R4 Az2 : 3, 9, 15 R6 Az : 5, 11, 17 R1: Az continuo; R4: Az/Pastura; R6: Az/Sj

20 En la búsqueda de indicadores de composición y función de comunidades microbianas Correlación entre variables fisicoquímicas, composición y función de la comunidad (cuantitativas y cualitativas) y emisiones de GEI Correlaciones significativas (Pearson)con p=0,05

21 Algunas conclusiones preliminares y Perspectivas La profundidad del análisis de la comunidad bacteriana fue adecuada El momento de muestreo incide en la composición de la comunidad bacteriana en suelos cultivados con arroz Algunos factores fisicoquímicos y cinéticos explican la distribución de las comunidades microbianas según el momento de muestreo La composición de la comunidad está afectada por el uso previo del suelo. Parece graduarse por el número de años de cultivo de arroz Cuáles son los indicadores de composición y función factibles de modificar por el manejo del cultivo para mejorar la sustentabilidad?

22 Fondos y apoyos: Proyecto CSIC Grupos 976. Proyecto INNOVAGRO FSA 1244 (ANII). INIA Estación Experimental de Paso de la Laguna, Treinta y Tres, Plataforma de Producción y Sustentabilidad Ambiental (José Terra, Ignacio Macedo). Proyectos Iniciación CSIC Becas posgrado (ANII, CSIC, CAP, PEDECIBA)