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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Caracterização do microbioma de solos semiáridos da Caatinga e seu potencial para a degradação de lignocelulose
Title Alternative: Characterization of the microbiome of Caatinga semiarid soils and its potential for lignocellulose degradation
Author: Lacerda Júnior, Gileno Vieira, 1987-
Advisor: Oliveira, Valeria Maia de, 1966-
Abstract: Resumo: A Caatinga é um bioma exclusivamente brasileiro, pouco estudado e preservado, que abriga uma exuberante e exclusiva diversidade biológica. Este ecossistema consiste em uma floresta tropical seca adaptada a condições climáticas severas, como elevadas temperaturas, alta acidez e irradiação solar, e déficit hídrico causado pelo regime sazonal de chuvas. Portanto, é esperado abrigar uma microbiota carreando arsenais enzimáticos únicos e versáteis com potencial aplicação industrial. Micro-organismos residentes do solo são capazes de decompor a lignina (segundo biopolímero mais abundante da biosfera) utilizando um conjunto de enzimas ligninolíticas as quais também podem ser aplicadas na desintoxicação de efluentes, na indústria de papel e de biocombustíveis, dentre outros processos. Visto que aproximadamente 99% dos micro-organismos do solo ainda não podem ser isolados por métodos de cultivo, tecnologias moleculares baseadas na análise do material genético, como a "metagenômica", podem fornecer informações mais precisas sobre a diversidade microbiana ainda não cultivada e o seu potencial biotecnológico. Assim, este estudo propõe o uso de uma abordagem integrada de metagenômica funcional (baseada na atividade biológica e similaridade de sequências) e descritiva, com o objetivo de identificar novas enzimas lignocelulolíticas, além de analisar o impacto da sazonalidade e práticas agrícolas (irrigação/fertilização) na estrutura da comunidade e nas respostas funcionais da microbiota de solos da Caatinga. A triagem funcional baseada na expressão fenotípica de 40.000 clones metagenômicos não permitiu detectar atividade ligninolítica. Entretanto, o rastreamento molecular via PCR possibilitou a identificação de uma "Multicopper oxidase" do tipo lacase, afiliada ao gênero Mesorhizobium. Análises in silico a partir do sequenciamento em larga escala da biblioteca metagenômica revelaram um vasto repertório enzimático relacionado à degradação da biomassa lignocelulósica carreado por diferentes grupos bacterianos, com potencial aplicação na produção de biocombustíveis a partir de fontes renováveis, bem como em outros processos ambientais. Numa abordagem ecológica foi verificado o enriquecimento dos filos Actinobacteria e Proteobacteria nos períodos sazonais de seca e chuva, respectivamente. Os dados sugerem que micro-organismos presentes em solos nativos do período seco são especializados na utilização de monossacarídeos e dissacarídeos, bem como carboidratos com funções osmoprotetoras, como a trealose. Por outro lado, o microbioma de solos afetados pela agricultura foi influenciado, principalmente, por fatores químicos, apresentando enriquecimento do filo Acidobacteria e de genes relacionados a processos como nitrificação e desnitrificação, e ao estresse oxidativo. Estes resultados sugerem que o input de nutrientes e a quebra dos ciclos naturais do regime de água podem impactar os ciclos biogeoquímicos, afetando a funcionalidade natural dos solos semiáridos da Caatinga

Abstract: Caatinga is an exclusively Brazilian biome, poorly studied and preserved, with an exuberant and exclusive biological diversity. This ecosystem consists of a dry tropical forest adapted to severe climatic conditions, including high temperatures and solar irradiation, soil acidity, and water deficit caused by the seasonal rainfall regime. Therefore, it is expected to harbor a soil microbiota carrying unique and versatile enzymatic arsenals with a potential biotechnological application. Resident soil microorganisms are capable of decomposing lignin (second most abundant biopolymer of the biosphere) using a set of ligninolytic enzymes which can also be applied in the treatment of effluents, pulp and paper industry, biofuels productions, among other industrial processes. Considering that about 99% of soil microorganisms cannot be isolated by conventional culture methods, molecular approaches based on the direct extraction of environmental genetic material, such as "metagenomics", are needed to provide more precise information about the diversity and biotechnological potential of the native microbial community. Thus, this study uses an integrated approach of functional (based on biological activity and sequence similarity) and descriptive metagenomics, with the aim of identifying new lignocellulolytic enzymes, in addition to analyzing the impact of seasonality and agricultural practices (irrigation/fertilization) in the community structure and functional responses of the Caatinga soil microbiome. The functional screening based on the phenotypic expression of 40,000 metagenomic clones did not show any ligninolytic activity. However, the molecular screening by PCR allowed the identification of a bacterial Laccase-like Multicopper oxidase, affiliated with the genus Mesorhizobium. The large-scale sequencing of a soil metagenomic library and subsequent in silico analysis revealed a large enzymatic repertoire related to the lignocellulosic degradation carried by different bacterial groups with potential application in the biofuels production as well as other environmental processes. In an ecological approach, it was observed the enrichment of the phyla Actinobacteria and Proteobacteria in the drought and rainy seasonal period, respectively. The data suggest that microorganisms thriving on native soils of the dry period are specialized in monosaccharides and disaccharides utilization, as well as osmoprotective sugars such as trehalose. In contrast, the soil microbiome affected by land use was mainly driven by chemical factors, with the enrichment of the Acidobacteria phylum and genes related to nitrification and denitrification processes, and to oxidative stress. These results suggest that the nutrients input and the breakdown of the natural cycles of the water regime may impact the biogeochemical cycles, affecting the natural functionality of the Caatinga semiarid soils
Subject: Caatinga
Micro-organismos do solo
Metagenômica
Bioprospecção
Enzimas ligninolíticas
Language: Multilíngua
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2017
Appears in Collections:IB - Tese e Dissertação

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