Fernando Dini Andreote.

Biological waste from agricultural and other sources is a both nuisance and a source of biotechnological opportunities. The project MICROWASTE will develop and foster the understanding of microbial consortia involved in the degradation of the lignocellulosic matter present in agricultural biowaste (sugarcane remains [BR] and maize stalks [NL]). The two research groups have long track records of collaboration and are pioneers in the application of cultivation-independent tools to unravel the soil microbiota in terms of phylogeny and function. Moreover, they also pioneered studies on the interactions between bacteria and fungi in soils and biowaste processing. The current proposal links the activities at the NL partner, which address the key microorganisms of biodegradative consortia and their interactions, as well soil indicators of ecosystem services, with those in BR, which address the soil microbial communities in agricultural and natural ecosystems. Together, we will focus on interactions of key players in microbial consortia and their enzymes (e.g. cellulases, laccases, etc ), next to their interactions. We will take a metagenomics approach, which will be combined with network analysis to pinpoint interactive species and key (novel) genes. These approaches will be also used to predict substrate degradability in soils, either with or without an added microbial consortium. Finally, the effect of consortia inoculation on ecosystem services will be assessed. The final outcome of the project will be (1) the availability of a stable microbial consortium which is robust due to its interactivity, with great potential to be applied for monomer production in reactors and in the field, (2) the assessment of the ecological gains of applying biowaste as opposed to the traditional way of burning or disposing it in soil, and (3) the prediction of the effects of biowaste incorporation on the soil processes.

O fósforo é um dos elementos químicos mais importantes da natureza, sendo essencial para a manutenção da vida, atuando como componente de moléculas energéticas e de estruturais vitais como DNA e o RNA. É um dos nutrientes que mais limitam o crescimento vegetal, pois sua disponibilidade na natureza é bastante reduzida devido ao elevado poder reativo dos íons fosfatos, que quando presentes na solução dos solos, rapidamente se ligam a íons metálicos e as cargas do solo, tornando-se indisponível. Mesmo solos considerados férteis podem apresentar deficiência deste nutriente. Deficiências nos níveis de fósforo podem levar a danos no crescimento vegetal com comprometimento no desenvolvimento de raízes e partes aéreas. Atualmente, a correção dessa deficiência é realizada através da utilização de fertilizantes químicos, sendo essa medida essencial para culturas que possuem uma elevada demanda nutricional, como no caso da cultura de cana-de-açúcar. A utilização maciça de fertilizantes na agricultura vem causando danos irreversíveis à natureza, poluindo aquíferos e lençóis freáticos, e gerando preocupação por se tratar de uma fonte não renovável e finita de fertilidade. Além disso, este uso excessivo diminui a capacidade nutritiva de grande parte dos solos, visto que muitos dos fertilizantes utilizados se acumulam nas partículas de solo, fazendo com que devam ser aplicadas altas doses de fertilizantes para obter o efeito desejado. Uma alternativa que tem sido proposta é o uso de rochas fosfatadas associadas a micro-organismos. Esse uso combinado se deve ao fato de que muitos micro-organismos possuem a capacidade de disponibilizar o fósforo para o consumo das plantas a partir de desta fonte. Apesar da sua importância indiscutível, os processos envolvidos na disponibilização do fósforo, a ecologia das comunidades microbianas envolvidas e os fatores limitantes e essenciais para a renovação do mesmo no ambiente ainda são pouco conhecidos. O desconhecimento desses processos dificulta a aplicação dessas metodologias, além de se não obter o aproveitamento máximo deste recurso. O principal objetivo deste projeto é avaliar a estrutura e a diversidade das comunidades microbianas associadas à rizosfera de cana-de-açúcar e sua participação nos processos de solubilização e mineralização de distintas fontes de fósforo no solo.

Dentre os ecossistemas terrestres, alguns chamam atenção devido à particular combinação de condições ambientais únicas, que resultam na evolução de espécies capazes de colonizar restritamente estes ambientes. Os manguezais compõem um bioma composto por espécies de plantas, animais e microrganismos que interagem neste ambiente que tem como principal característica a interface entre o continente e o oceano em regiões intertropicais. Tal localização gera condições únicas ambientais, principalmente em relação à salinidade, a frequente condição de anaerobiose e as alterações sazonais na disponibilidade de nutrientes. Em manguezais, bactérias, arquéias e fungos constituem 91% da biomassa total; no entanto, muito pouco da funcionalidade de grupos microbianos nos manguezais é conhecida. Neste intuito, este projeto tem como objetivo estudar por técnicas inovadoras (metatranscriptômica e análise de contexto genômico) as comunidades microbianas funcionais em dois manguezais do Estado de São Paulo (já alvos de estudos prévios por nosso grupo de trabalho). A expressão gênica será determinada por meio de extração de RNA diretamente das amostras de sedimentos e posterior sequenciamento em alta escala (Illumina e 454), com o intuito de identificar genes expressos pela comunidade microbiana em manguezais sob distintos estados de conservação. Em relação à análise de contexto genômico, visa-se a detecção de genes relacionados aos ciclos do carbono (mcrA), nitrogênio (hzo, nifD, nifH, nirK, nirS, nosZ) e enxofre (aprA, dsrB) em bibliotecas de fosmídeos já construídas com o DNA destes manguezais; e posterior sequenciamento dos insertos fosmidiais (com tamanho médio de 20kB), o que tornará possível a ligação entre a filogenia e a funcionalidade do grupo microbiano no ambiente estudado. Desta maneira, informações serão levantadas sobre estas comunidades funcionais de maneira inovadora, não apenas descrevendo um gene, mas sua expressão nos manguezais, e o contexto em que este ocorre na comunidade microbiana deste ambiente.

A cana-de-açúcar é atualmente a cultura de maior importância agrícola do Estado de São Paulo, onde o zoneamento agroclimático descreve a existência de duas regiões com distintos padrões de condições ambientais aptas para este cultivo, além de uma nova área recentemente ocupada por esta cultura. No entanto, com a expansão das fronteiras agrícolas, uma maior produtividade e sustentabilidade na produção da cana-de-açúcar são altamente desejáveis. Para isto, dentre outros fatores, o papel da comunidade microbiana presente nos solos pode ter fundamental importância, auxiliando no melhor desenvolvimento da planta, seja suprindo a mesma com nutrientes, ou diminuindo a ocorrência de doenças e pragas. Contudo, pouco se sabe sobre a comunidade microbiana existente nos solos cultivados com cana-de-açúcar. Dessa forma, este projeto tem como objetivo descrever, em um enfoque biogeográfico, a diversidade microbiana existente em solos de cana-de-açúcar do Estado de São Paulo, englobando os grupos de arquéias, bactérias e fungos. Propõe-se quantificar estas comunidades por meio da aplicação de PCR em tempo real (qPCR), analisar a estrutura das comunidades microbianas por polimorfismo de comprimento de fragmentos de restrição terminal (T-RFLP), e determinar a afiliação filogenética destes organismos por pirosequenciamento de genes alvos. Dentro deste contexto, dois tipos de amostragens serão realizadas com a finalidade de: i) comparar as variações que ocorrem em macro-escala, entre as diferentes áreas descritas pelo zoneamento agroclimático e ii) obter padrões em micro-escala das comunidades avaliadas dentro de cada uma das áreas deste zoneamento. Por fim, os dados microbiológicos obtidos serão correlacionados com as características físico-químicas dos solos analisados, resultando em um estudo biogeográfico dos solos amostrados, gerando um mapeamento microbiológico de solos com cultivo de cana-de-açúcar no Estado de São Paulo.

A grande diversidade de microrganismos no solo resulta em incalculáveis formas de interações entre os seres vivos. Podem-se destacar dentro de tal contexto as interações entre fungos e bactérias, que atuam auxiliando e recebendo ajuda das plantas para sobrevivência no solo. No entanto, poucos estudos são relatados na interação bactérias-fungos em solos de ambientes tropicais, gerando uma lacuna em tal conhecimento. Desta forma, o presente projeto propõe a busca por tais informações, no intuito de descrever grupos importantes de bactérias que interagem com fungos em dois sistemas de solo distintos: i) solo de mata atlântica, onde o foco será dado nas bactérias associadas a fungos formadores de cogumelos; ii) solo de cultivo de cana-de-açúcar, onde o enfoque será dado em fungos micorrízicos que interagem com a planta. As análises serão feitas de maneira independente de cultivo (PCR quantitativo (qPCR), gel de eletroforese em gradiente desnaturante (DGGE) e sequenciamento de tags de 16S RNAr) para gerar dados sobre a diversidade bacteriana selecionada pela presença das estruturas fúngicas no solo. Assim sendo, o desenvolvimento deste projeto trará ganhos no conhecimento sobre a diversidade e a funcionalidade de grupos bacterianos que interagem com fungos no solo.

A ciclagem de nutrientes é fundamental no funcionamento e manutenção dos ecossistemas terrestres. Em solos de floresta, a transformação de nitrogênio é altamente dinâmica e mediada por bactérias, arquéias e fungos, que são o alicerce da produtividade biótica. No entanto, a diversidade de comunidades microbianas funcionais nos solos de manguezal e mata atlântica é pouco conhecida. Neste sentido, o presente projeto tem como objetivo estudar as comunidades de bactérias e arquéias funcionais nestes ambientes por meio de técnicas moleculares. Será foco deste projeto a diversidade do gene que codifica a subunidade alfa da enzima amônio oxigenase (amoA), recentemente descrito em arquéias, o qual está envolvido no processo de oxidação do amônio. A quantificação de bactérias e arquéias portadoras destes genes será realizada por meio de PCR em tempo real, enquanto que a diversidade destas comunidades será acessada por meio de análise do perfil das comunidades em DGGE e pela construção de bibliotecas de clones a partir do DNA de amostras ambientais. Desta forma, as informações serão levantadas sobre estas comunidades funcionais, com a possibilidade de descrição de novos grupos filogenéticos de arquéias funcionais não encontrados em tais ambientes.