From genomes to communities: describing changes in the bacterial community involved in methane oxidation in Amazonian soils

A Amazônia hospeda a maior floresta tropical do planeta, considerada um \"hotspot\" de biodiversidade. O aumento das ações antropogênicas nas ultimas décadas (desmatamento e queimadas) tem ocasionado perdas irreparáveis na diversidade biológica, contribuindo significativamente nas mudanças climáticas por meio de alterações dos fluxos hidrológicos e emissão excessiva de gases relacionados ao efeito estufa, dentre os quais o metano. Assim, na busca de uma melhor compreensão dessas alterações é de fundamental importância o estudo das comunidades microbianas associadas ao consumo do metano. Este trabalho teve como objetivo avaliar o impacto das alterações no uso da terra sobre a estrutura genômica e das comunidades bacterianas associadas a oxidação do metano presentes no solo, buscando a combinação de análises independentes (de comunidades) e dependentes de cultivo (enriquecimento e cultivo), juntamente com o acesso aos genomas montados de bactérias metanotróficas. Amostras provenientes de diferentes usos do solo e regiões da floresta amazônica foram coletadas, em sistemas de florestas primárias, florestas secundárias e pastagens na região de Santarém (PA), e florestas primárias e pastagens em Ariquemes (RO). Os solos coletados foram adicionados ao meio enriquecido com metano para estimular o metabolismo das bacterias metanotróficas. Tanto nas amostras originais como nas oriundas dos enriquecimentos, foram realizadas quantificações do gene pmoA pela técnica de PCR quantitativo (qPCR) e caracterização da comunidade total (bactérias e arquéias) e metanotróficas por meio do sequênciamento da região V4-V5 do gene 16S rRNA. Foram também realizadas análises de network e isolamentos de bactérias, na busca de uma maior compreensão sobre as correlações e associações microbianas das amostras. Por fim, o acesso ao metagenoma de amostras enriquecidas e montagens de genomas por metagenoma (MAG - Metagenome Assembled Genome), permitiu comparar a estrutura genômica do operon pmoCAB oriunda de diferentes solos. Os resultados mostraram que estrutura da comunidade total e metanotrófica se alteram com a conversão do solo florestal em pastagem, de maneiras distintas nas áreas amostradas, e com comportamento diferenciado ao longo dos enriquecimentos. O filo Acidobacteria mostrou-se característico de solos florestais, enquanto Actinobacteria, Firmicutes e Bacteoidetes de pastagens, ao passo que a abundância relativa e a riqueza de metanotróficos foi mais elevada em solos de pastagens. Também ocorrem alterações nas interações microbianas, mostrando que florestas possuem correlações mais estáveis que solos de pastagem, porém diferentes entre as áreas estudadas. Estas correlações também são notadas na associação de bactérias metanotróficas com outros grupos, como os gêneros Burkholderia, Pseudomonas, Flavisobacter e Cupriavidus. Em resumo, observa-se que há diferenciação no enriquecimento de bactérias metanotróficas nos diferentes solos e áreas, e os genomas montados indicam a possibilidade de metabolismos distintos. Estes dados contribuem para a compreensão das alterações, em diferentes níveis, da comunidade microbiana nos ambientes de conversão do uso do solo.The Amazon hosts the largest rainforest on the planet, considered a biodiversity \"hotspot\". The increase in anthropogenic actions in the last decades (deforestation and burning) has caused irreparable losses in biological diversity, contributing significantly to climate change through changes in hydrological flows and excessive emissions of greenhouse gases, including methane. Thus, in the search for the best understanding of these changes, it is of fundamental importance to study the microbial communities associated with methane consumption. This work aimed to evaluate the impact of changes in land use on the genomic structure and bacterial communities associated with the oxidation of methane in the soil, seeking the combination of independent (community) and dependent analyzes (enrichment and growth), along with access to the genomes assembled from methanotrophic bacteria. Samples from different soil uses and regions of the Amazon rainforest were collected, such as primary forests, secondary forests and pastures in the Santarém region (PA) and primary forests and pastures in Ariquemes (RO). The collected soils were added to the methane-enriched medium to stimulate the metabolism of the methanotrophic bacteria. In both the original and the enriched samples, were performed quantifications of the pmoA gene by the quantitative PCR technique (qPCR) and characterization of the total community (bacteria and archaea) and methanotrophic by the sequencing of the V4-V5 region of the 16S rRNA gene. Network analyzes and bacterial isolations were also carried out in order to obtain a better understanding of the microbial correlations and associations of the samples. Finally, the access to the metagenome of enriched samples and genome assemblies by metagenome (MAG - Metagenome Assembled Genome) allowed comparing the genomic structure of the pmoCAB operon from different soils. The results showed that the structure of the total and methanotrophic community analyzed changes with the conversion of the forest soil to pasture, in different ways in the sampled areas and in enriched soils. The phyla Acidobacteria showed to be characteristic of forest soils, while Actinobacteria, Firmicutes, and Bacteroides of pastures and the relative abundance and richness of methanotrophic are higher in pastures soils. The changes were observed for microbial interactions, showing that forests have more stable correlations than pasture soils, but different between the areas studied. These correlations are also noted in the association of methanotrophic bacteria with other groups, such as the genera Burkholderia, Pseudomonas, Flavisobacter and Cupriavidus. In summary, it was observed differentiation in the enrichment of methanotrophic bacteria in the different soils and areas, and the assembled genomes indicate the possibility of different metabolisms. These data contribute to the understanding of the changes, at different levels, of the microbial community in the land use conversion environments