Metagenômica e aprendizado de máquina

ISME Communications volume 3, Artigo número: 14 (2023) Citar este artigo

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O desenvolvimento de cultivares de arroz com baixo teor de cádmio (Cd) emergiu como um caminho promissor para a segurança alimentar em terras agrícolas contaminadas com Cd. Foi demonstrado que os microbiomas associados às raízes do arroz melhoram o crescimento do arroz e aliviam o estresse por Cd. No entanto, os mecanismos de resistência ao Cd específicos do táxon microbiano subjacentes às diferentes características de acumulação de Cd entre diferentes cultivares de arroz permanecem em grande parte desconhecidos. Este estudo comparou a cultivar XS14 com baixo teor de Cd e a cultivar de arroz híbrido YY17 quanto ao acúmulo de Cd com cinco corretivos de solo. Os resultados mostraram que XS14 foi caracterizado por estruturas comunitárias mais variáveis ​​e redes de co-ocorrência estáveis ​​no continuum solo-raiz em comparação com YY17. Os processos estocásticos mais fortes na montagem da comunidade da rizosfera XS14 (~ 25%) do que os de YY17 (~ 12%) sugeriram que o XS14 pode ter maior resistência a mudanças nas propriedades do solo. Redes de co-ocorrência microbiana e modelos de aprendizado de máquina identificaram conjuntamente a microbiota indicadora fundamental, como Desulfobacteria em XS14 e Nitrospiraceae em YY17. Enquanto isso, genes envolvidos na ciclagem do enxofre e na ciclagem do nitrogênio foram observados entre o microbioma associado à raiz dessas duas cultivares, respectivamente. Microbiomas na rizosfera e raiz de XS14 apresentaram maior diversidade no funcionamento, com enriquecimento significativo de genes funcionais relacionados ao transporte e metabolismo de aminoácidos e carboidratos, e ciclagem de enxofre. Nossas descobertas revelaram diferenças e semelhanças nas comunidades microbianas associadas a duas cultivares de arroz, bem como biomarcadores bacterianos preditivos da capacidade de acumulação de Cd. Assim, fornecemos novos insights sobre estratégias de recrutamento específicas de táxons de duas cultivares de arroz sob estresse de Cd e destacamos a utilidade dos biomarcadores em oferecer pistas para aumentar a resiliência das culturas ao estresse de Cd no futuro.

Compreender as características do microbioma associado às raízes é uma prioridade de investigação emergente; essas informações são extremamente vitais para compreendermos os papéis profundos dos microbiomas na promoção do crescimento e da tolerância das culturas sob estresse ambiental [1,2,3]. As composições e funções da comunidade microbiana associada às raízes das plantas são amplamente diferenciadas pelos microhabitats e fenótipos das raízes [4,5,6]. Estudos recentes relataram recrutamento específico de nicho e enriquecimento microbiano específico de função que foram desencadeados pelas respostas dos microbiomas das raízes das plantas às perturbações ambientais [7,8,9]. Além disso, os hospedeiros culturais têm efeitos de seleção sobre microbiomas em nichos associados a raízes que poderiam induzir a estrutura comunitária reestruturada e a transformação de perfis funcionais [10, 11]. Apesar do crescente reconhecimento de que a estrutura e o funcionamento da comunidade do microbioma associado às raízes podem afectar o crescimento das culturas sob stresses abióticos, o aproveitamento do conhecimento do microbioma específico da cultivar para aumentar a resiliência das culturas ao stress continua a ser um desafio. Portanto, revelar as variações distintas nas composições e funções dos micróbios em nichos associados às raízes com diferentes espécies de culturas ou diferentes cultivares dentro de uma espécie é de grande importância para a utilização de microbiomas de culturas para melhorar o desempenho.

Com a crescente procura de terras agrícolas [12, 13], a contaminação das terras agrícolas por cádmio (Cd) e a sua acumulação nas culturas está a tornar-se um grave problema ambiental global [14]. O arroz é um dos alimentos básicos mais importantes para o ser humano. Devido à alta mobilidade do Cd da raiz à parte aérea no arroz, o consumo de produtos de arroz contaminados com Cd representa uma séria ameaça à saúde pública [15]. Para diminuir o acúmulo de Cd nos grãos de arroz, além da aplicação de corretivos de solo para imobilização química in situ, outras medidas têm sido amplamente empregadas, como o cultivo de variedades de arroz com baixo acúmulo de Cd [16]. O aumento da resistência microbiana associada às raízes ao estresse por Cd também poderia reduzir o acúmulo de Cd nos grãos de arroz, ou seja, as comunidades microbianas poderiam expressar funções sob níveis elevados de Cd, como formação de biofilme, produção de substâncias poliméricas extracelulares (EPS) e genes de resistência a metais pesados ​​e desenvolvimento de caminhos [17]. Diferentes variedades de arroz têm diferentes capacidades de absorção e acumulação de Cd [18, 19]. Cao et al. [20] revelaram que o arroz híbrido poderia acumular uma maior concentração de Cd nos grãos em comparação com o arroz convencional, e descobertas semelhantes também foram observadas em dois tipos principais de arroz cultivado na Ásia, o arroz indica e o arroz japonica [14]. No entanto, esses estudos focaram nas variações nos acúmulos de Cd em diferentes cultivares de arroz. Resultados contrastantes podem ser devidos a diversos factores bióticos e abióticos, tais como correcções do solo e gestão de fertilizantes. Recentemente, a importância dos microbiomas associados às raízes de diferentes cultivares de arroz na ciclagem de nutrientes e na degradação de poluentes orgânicos do solo tem sido amplamente investigada [21, 22], no entanto, ainda há uma falta de informações sobre a diversidade da comunidade microbiana associada às raízes e a diversidade da comunidade. funções de diferentes cultivares de arroz que exibem características contrastantes de acumulação de Cd.