Characteristic genomic traits of bacterial genera associated with sugarcane
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Data
2023-03-02
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Plant-associated microorganisms are crucial to plant health and productivity. Metabarcoding studies and genomic data related to the plant microbiome of several species have revealed valuable information about the composition and structure of the microbiota in response to different conditions and environmental stresses. This has been expanding our understanding of plant-microorganism interactions, highlighting the potential of technologies derived from these studies for applications in agriculture. In Brazil, sugarcane cultivation is of great economic importance and has been an interesting source for prospecting plant growth-promoting microorganisms. Therefore, the present work aimed to investigate bacterial genomes isolated from communities previously recognized as promoters of plant growth, derived from sugarcane. To this end, we employed the genome assembly approach from metagenomes (MAGs) to investigate beneficial characteristics of members present in these bacterial communities, in order to identify the main mechanisms related to plant growth-promoting characteristics, such as nutrient availability, synthesis of phytohormones, among others, and highlight candidates for field evaluation due to their complementary and beneficial characteristics for plants. After determining the bacterial genera in the communities, a comparative genomic analysis of species belonging to these genera, whether or not originating from plants, was carried out to determine gene characteristics associated with plant colonization. The genomic analysis of the 17 identified genomes allowed us to determine the main characteristics associated with the mechanisms underlying bacteria-plant interactions. Five of the studied genomes, identified as Enterobacter asburiae (MAG06 and MAG10), Citrobacter werkmanii (MAG17), Rhizobium punense (MAG03), and Achromobacter animicus (MAG14), exhibited a high density of genes associated with Plant Growth-Promoting Traits (PGPTs). Regarding genomic analysis aimed at understanding other mechanisms involved in association with plants, out of the 13 genera studied, only 9 exhibited gene enrichment, enabling the use of classification models to predict genomes associated with plants. The random forest approach outperformed logistic regression models by employing machine learning methods to predict genomes associated with plants. The enrichment analysis of orthologous genes along with the signature of COG categories shared among genomes revealed a significant set of genes related to Amino acid transport and metabolism (E), Lipid transport and metabolism (I), Biosynthesis, transport and catabolism of secondary metabolites (Q), Transcription (K) and Signal transduction mechanisms (T). The results found here demonstrate that the identified bacteria have the potential to promote plant growth, positioning them as promising candidates for sustainable agricultural practices. The study of microorganisms has been crucial for the advancement of sustainable agriculture, as they play fundamental roles in promoting the health and growth of plants. A deeper understanding of the interactions of microorganisms-plants will allow the development of more effective strategies to promote soil health, reducing dependence on chemical fertilizers and increasing plant resistance to diseases and environmental stressors.
Os microrganismos associados a plantas são cruciais para a saúde e produtividade vegetal. Estudos de metabarcoding e dados genômicos relacionados ao microbioma vegetal de diversas espécies têm revelado informações relevantes sobre a composição e estrutura da microbiota em resposta a diferentes condições e estresses ambientais. Isso tem ampliado nossa compreensão sobre as interações microrganismo-planta, destacando o potencial das tecnologias derivadas desses estudos para aplicações na agricultura. No Brasil, a cana-de-açúcar, de alta relevância econômica, serve como um campo promissor para explorar microrganismos benéficos. Deste modo, o presente trabalho teve como objetivo investigar genomas bacterianos isolados de comunidades previamente reconhecidas como promotoras de crescimento vegetal, provenientes da cana-de-açúcar. Para isso, empregamos a abordagem de montagens de genomas a partir de metagenomas (MAGs) na investigação de traços benéficos dos membros presentes dessas comunidades bacterianas, a fim de identificar os principais mecanismos relacionados às características de promoção de crescimento vegetal, tais como disponibilização de nutrientes, síntese de fitohormônios, entre outros, e de destacar candidatos para avaliação em campo devido às suas características complementares e benéficas para as plantas. Após determinar os gêneros bacterianos presentes nas comunidades, foi realizada uma análise de genômica comparativa de espécies pertencentes a esses gêneros, provenientes ou não de plantas, para determinar características gênicas associadas à colonização de plantas. A análise genômica dos 17 genomas identificados permitiu determinar as principais características associadas aos mecanismos subjacentes às interações bactéria-planta. Cinco dos genomas estudados que foram identificados como Enterobacter asburiae (MAG06 e MAG10), Citrobacter werkmanii (MAG17), Rhizobium punense (MAG03), e Achromobacter animicus (MAG14) destacaram-se pela alta densidade de genes associados a características benéficas. Em relação à análise genômica voltada para compreender os mecanismos envolvidos na associação com as plantas, dos 13 gêneros estudados, 9 apresentam enriquecimento de genes, permitindo seguir com modelos de classificação para a predição de genomas associados às plantas. Nesse contexto, a abordagem de random forest (RF) superou os modelos de regressão logística (RL). A análise de enriquecimento de genes ortólogos além das assinaturas de categorias COG compartilhadas entre genomas revelaram um conjunto significativo de genes relacionados a Transporte e metabolismo de aminoácidos (E), Transporte e metabolismo de lipídios (I), Biossíntese, transporte e catabolismo de metabólitos secundários (Q), Transcrição (K) e Mecanismos de transdução de sinal (T). Os resultados sugerem que as bactérias investigadas têm um potencial significativo para promover o crescimento de plantas, posicionando-os como candidatos promissores para práticas agrícolas sustentáveis. Estudos como este têm sido cruciais para o avanço da agricultura sustentável, uma vez que os microrganismos desempenham papéis fundamentais na promoção da saúde e do crescimento das plantas. Uma compreensão mais profunda das interações microrganismos-plantas permitirá o desenvolvimento de estratégias mais eficazes para promover a saúde do solo, reduzindo a dependência de fertilizantes químicos e aumentando a resistência das plantas a doenças e fatores de estresse ambiental.
Os microrganismos associados a plantas são cruciais para a saúde e produtividade vegetal. Estudos de metabarcoding e dados genômicos relacionados ao microbioma vegetal de diversas espécies têm revelado informações relevantes sobre a composição e estrutura da microbiota em resposta a diferentes condições e estresses ambientais. Isso tem ampliado nossa compreensão sobre as interações microrganismo-planta, destacando o potencial das tecnologias derivadas desses estudos para aplicações na agricultura. No Brasil, a cana-de-açúcar, de alta relevância econômica, serve como um campo promissor para explorar microrganismos benéficos. Deste modo, o presente trabalho teve como objetivo investigar genomas bacterianos isolados de comunidades previamente reconhecidas como promotoras de crescimento vegetal, provenientes da cana-de-açúcar. Para isso, empregamos a abordagem de montagens de genomas a partir de metagenomas (MAGs) na investigação de traços benéficos dos membros presentes dessas comunidades bacterianas, a fim de identificar os principais mecanismos relacionados às características de promoção de crescimento vegetal, tais como disponibilização de nutrientes, síntese de fitohormônios, entre outros, e de destacar candidatos para avaliação em campo devido às suas características complementares e benéficas para as plantas. Após determinar os gêneros bacterianos presentes nas comunidades, foi realizada uma análise de genômica comparativa de espécies pertencentes a esses gêneros, provenientes ou não de plantas, para determinar características gênicas associadas à colonização de plantas. A análise genômica dos 17 genomas identificados permitiu determinar as principais características associadas aos mecanismos subjacentes às interações bactéria-planta. Cinco dos genomas estudados que foram identificados como Enterobacter asburiae (MAG06 e MAG10), Citrobacter werkmanii (MAG17), Rhizobium punense (MAG03), e Achromobacter animicus (MAG14) destacaram-se pela alta densidade de genes associados a características benéficas. Em relação à análise genômica voltada para compreender os mecanismos envolvidos na associação com as plantas, dos 13 gêneros estudados, 9 apresentam enriquecimento de genes, permitindo seguir com modelos de classificação para a predição de genomas associados às plantas. Nesse contexto, a abordagem de random forest (RF) superou os modelos de regressão logística (RL). A análise de enriquecimento de genes ortólogos além das assinaturas de categorias COG compartilhadas entre genomas revelaram um conjunto significativo de genes relacionados a Transporte e metabolismo de aminoácidos (E), Transporte e metabolismo de lipídios (I), Biossíntese, transporte e catabolismo de metabólitos secundários (Q), Transcrição (K) e Mecanismos de transdução de sinal (T). Os resultados sugerem que as bactérias investigadas têm um potencial significativo para promover o crescimento de plantas, posicionando-os como candidatos promissores para práticas agrícolas sustentáveis. Estudos como este têm sido cruciais para o avanço da agricultura sustentável, uma vez que os microrganismos desempenham papéis fundamentais na promoção da saúde e do crescimento das plantas. Uma compreensão mais profunda das interações microrganismos-plantas permitirá o desenvolvimento de estratégias mais eficazes para promover a saúde do solo, reduzindo a dependência de fertilizantes químicos e aumentando a resistência das plantas a doenças e fatores de estresse ambiental.
Descrição
Palavras-chave
Metagenômica, Microorganismos, Estresses ambientais em vegetais
Como citar
FUNNICELLI, M. I. G. - Characteristic genomic traits of bacterial genera associated with sugarcane - 2023, 104f - Tese (Doutorado em Micro Biologia Agropecuária) - Universidade Estadual Paulista, Jaboticabal, 2024