Soil microbial community responses to different sugarcane management strategies as revealed by 16S metagenomics

Abstract

Sugarcane cultivation in Argentina is distributed in three geographic regions: Tucumán, Northern (Salta and Jujuy) and Littoral (Santa Fe and Misiones), covering about 376,223 ha. Tucumán has traditionally been the most important region with 68% of the total production. Since new agricultural techniques, such as green-cane harvesting and sugarcane crop rotation with soybean, were implemented in the last decade, changes in the agroecosystem of sugarcane, specific pathosystems and epidemiological parameters have been observed. A 16S metagenomics approach to investigate total bacterial communities associated with sugarcane rhizospheric soil when soybean was the predecessor crop in a cultivation area with a high incidence of red stripe disease was applied; soil from sugarcane monoculture was also included. Two commercial sugarcane cultivars (Saccharum spp. hybrids) with differential responses to red stripe infection (tolerant and susceptible) were evaluated. Sampling was carried out in 2013-2014 and in 2014-2015 (first and second ratoon, respectively) at 30, 90 and 180 days after harvest. Total soil DNA was obtained using FastPrep® technology. The 16S RNA gene (variable region V3-V4) was sequenced using a MiSeq platform Illumina. Taxonomic assignment revealed Bacillales, Rhyzobiales, Rhodospirilliales, Xanthomonadales and Acidobacteriales among the most abundant orders in all samples. Soil samples from sugarcane without soybean rotation showed a marked decrease in Bacillaes, Rhizobiales and Sphingomonadales. Cluster analysis grouped together samples from the tolerant genotype, while those from the susceptible genotype formed two subgroups that were distinguished according to sampling time after harvest. The analysis showed that samples from sugarcane under monoculture were grouped distant to the rest of the samples showing different microbiota composition. The sugarcane rhizosphere microbiome and its biotechnological potential open a new opportunity in the concept of sustainable crop management. The data contribute significant knowledge about the microbial diversity in agricultural ecosystems.

El cultivo de caña de azúcar en Argentina se distribuye en tres regiones geográficas: Tucumán, Norte (Salta y Jujuy) y Litoral (Santa Fe y Misiones), que cubren alrededor de 376,223 ha. Tucumán ha sido tradicionalmente la región más importante con el 68% de la producción total. En la última década, como consecuencia de los cambios en el manejo como la rotación con soja y la cosecha en verde, se han observado cambios en el agroecosistema de la caña de azúcar, en patosistemas específicos y parámetros epidemiológicos. En el presente estudio, se aplicó un enfoque metagenómica de gen 16S ARNr para investigar las comunidades bacterianas asociadas con el suelo rizosférico de caña de azúcar en un sistema con soja como cultivo predecesor en un área de cultivo con una alta incidencia de estría roja. A fines comparativos, se incluyó en el estudio muestras de suelo monocultivo de caña de azúcar. Se evaluaron dos cultivares comerciales de caña de azúcar (Saccharum spp. híbridos) con respuestas diferenciales a la infección de estría roja (tolerante y susceptible). A partir del ADN total del suelo de muestras obtenidas en las campañas 2013-2014 y en 2014-2015 (soca 1 y 2, respectivamente) a los 30, 90 y 180 días después de la cosecha, se amplificó la región variable V3-V4 del 16S rRNA y se secuenció utilizando una plataforma MiSeq Illumina. La asignación taxonómica de las secuencias, reveló Bacillales, Rhyzobiales, Rhodospirilliales, Xanthomonadales y Acidobacteriales entre las órdenes más abundantes en todas las muestras. Las muestras de suelo de caña de azúcar sin rotación con soja mostraron una marcada disminución en Bacillaes, Rhizobiales y Sphingomonadales. El análisis de conglomerados agrupó las muestras del genotipo tolerante, mientras que las del genotipo susceptible formaron dos subgrupos que se distinguieron según el tiempo de muestreo después de la cosecha. El análisis mostró además que las muestras de caña de azúcar provenientes de un sistema de monocultivo se agruparon distantes del resto de las muestras evidenciando las diferencias en la composición de microbiota. El microbioma de la rizosfera de la caña de azúcar y su potencial biotecnológico abren una nueva oportunidad en el concepto de manejo sostenible de cultivos. Los datos aportan un conocimiento significativo sobre la diversidad microbiana en los ecosistemas agrícolas.

La culture de la canne à sucre en Argentine est répartie dans trois régions géographiques: Tucumán, le Nord (Salta et Jujuy) et le Littoral (Santa Fe et Misiones), couvrant environ 376 223 ha. Tucumán est traditionnellement la région la plus importante avec 68% de la production totale. Depuis que de nouvelles techniques agricoles, telles que la récolte de la canne verte et la rotation de la canne à sucre avec le soja, ont été mises en place au cours de la dernière décennie, des changements dans l’écosystème de la canne à sucre, des pathosystèmes spécifiques et des paramètres épidémiologiques ont été observés. Une approche métagénomique 16S pour étudier les communautés bactériennes totales associées au sol rhizosphérique de la canne à sucre lorsque le soja était la culture précédente dans une zone de culture présentant une incidence élevée de maladie à rayures rouges a été appliquée; le sol issu de la monoculture de canne à sucre a également été inclus. Deux cultivars commerciaux de la canne à sucre (hybrides Saccharum spp.) avec des réponses différentielles à l'infection à rayures rouges (tolérants et sensibles) ont été évalués. L'échantillonnage a été réalisé en 2013-2014 et en 2014-2015 (première et deuxième repousses, respectivement) à 30, 90 et 180 jours après la récolte. L'ADN total du sol a été obtenu en utilisant la technologie FastPrep®. Le gène de l'ARN 16S (région variable V3-V4) a été séquence en utilisant une plate-forme MiSeq Illumina. L'analyse taxonomique a révélé que Bacillales, Rhyzobiales, Rhodospirilliales, Xanthomonadales et Acidobacteriales étaient parmi les ordres les plus abondants dans tous les échantillons. Des échantillons de sol de canne à sucre sans rotation de soja ont montré une diminution marquée des bacilles, des rhizobiales et des sphingomonadales. L'analyse a regroupé des échantillons du génotype tolérant, tandis que ceux du génotype sensible ont formé deux sous-groupes qui ont été distingués en fonction de la période d'échantillonnage après la récolte. L'analyse a montré que les échantillons provenant de la canne à sucre en monoculture étaient regroupés à distance du reste des échantillons présentant une composition de microbiote différente. Le microbiome de la rhizosphère de canne à sucre et son potentiel biotechnologique ouvrent une nouvelle opportunité dans le concept de gestion durable des cultures. Les données fournissent des connaissances significatives sur la diversité microbienne dans les écosystèmes agricoles.