Effect of water stress on the structure of soil microbial communities under Eucalyptus grandis plantation

As mudanças climáticas podem levar a reduções nos volumes de chuva, afetando ecossistemas e a produtividade agrícola. Dentre os cultivos que podem ser afetados está o de Eucalyptus grandis, que representa 75% da produção de madeira brasileira, e pode sofrer tanto um efeito direto da redução de chuvas quanto um efeito indireto por mudanças na disponibilidade de nutrientes, das quais os micro-organismos estão relacionados. Os micro-organismos do solo desempenham papel essencial na ciclagem de nutrientes e em relações ecológicas, estão distribuídos desde as camadas mais superficiais quanto as mais profundas e seus diferentes grupos podem ser afetados de diferentes maneiras pela redução das chuvas. O objetivo desse trabalho foi de caracterizar a resposta das comunidades microbianas do solo quando submetida a um estresse hídrico prolongado em uma área de cultivo de eucalipto submetida a uma exclusão de chuvas, observando efeitos da época e de um gradiente vertical ao longo do perfil do solo até um metro de profundidade. O experimento foi instalado em 2010 com o plantio de E. grandis e a instalação de calhas interceptando 37% da precipitação. Amostras foram coletadas em três profundidades (0- 10, 40-50, 90-100 cm) e cinco datas (27/07/16, 14/12/16, 14/03/17, 24/04/17 e 17/07/17) ao longo de um ano contemplando épocas com maior e menor incidência de chuva, destinadas as análises moleculares. Uma outra coleta (23/02/19) foi feita durante a época de maior incidência de chuvas sendo destinada à avaliação de bioindicadores em três profundidades (0-10, 10-20, 40-50 cm). Devido às necessidades do projeto, implementou-se um protocolo de quantificação de DNA com o PicogreenTM, o qual foi comparado a outros métodos para validação. A avaliação das mudanças na estrutura da comunidade bacteriana e fúngica e foi feita através de técnicas de fingerprinting (DGGE e T-RFLP). A abundância dos genes 16S rRNA de bactérias e de arquéias, 18S rRNA de fungos e nifH de bactérias fixadoras do N foi estimada por PCR quantitativo. A avaliação dos bioindicadores foi feita através das enzimas β-glucosidase, fosfatase ácida e alcalina, da respiração do solo e do C da biomassa. A época e a profundidade foram fatores estruturantes das comunidades bacteriana e fúngica, sendo que o efeito da redução de chuvas se mostrou significativo na estruturação de duas datas amostradas para a comunidade bacteriana (em época de maior e menor incidência de chuvas). A abundância dos genes 16S de arquéias e 18S de fungos foi diminuída em função da redução de chuvas em uma das datas amostradas, os demais genes não apresentaram mudanças. A biomassa e a respiração do solo não apresentaram efeito do tratamento e somente a segunda apresentou efeito da profundidade. As atividades enzimáticas reduziram com o aumento da profundidade enquanto que a redução de chuvas levou a um aumento da atividade, sendo esse efeito proeminente em superfície para a β-glucosidase e fosfatase ácida e em profundidade para fosfatase alcalina. Neste estudo foi verificado o efeito da redução de chuvas sobre as comunidades microbianas, embora em menor proporção que as variações sazonais e da profundidade, mostra-se que são necessários mais estudos para melhor compreensão do impacto da redução da chuva no funcionamento microbiológico dos solos.Climate change may lead to rainfall reduction, affecting ecosystems and agriculture productivity. Among the crops that could be impacted is Eucalyptus grandis, which represents 75% of Brazilian wood production, and can be affected both direct effect of rainfall reduction and indirect effect by changes in nutrient availability in which microorganisms are involved. Soil microorganisms play an essential role in nutrient cycling ecological relationship, they are distributed from the most superficial to de deepest soil layers, and their different groups can be affected in different ways by the rainfall reduction. This study aimed to characterize soil microbial community responses when subjected to a prolonged water stress in eucalyptus plantation, evaluating seasonal effects and a vertical soil gradient up to one meter deep. The experiment was setup in 2010 with E. grandis and installation of gutters intercepting 37% of the precipitation. Soil samples were taken on three soil depths (0-10, 40-50, 90-100 cm) and five dates (27/07/16, 14/12/16, 14/03/17, 24/04/17 e 17/07/17) over a year, including seasons with higher and lower rainfall; intended for molecular analysis. Another sampling (23/02/19) during the higher rainfall season was intended for the evaluation of bioindicators at three depths (0-10, 10-20, 40-50 cm). Due to project needs, a DNA quantification protocol was implemented with PicogreenTM, which was compared to other methods for validation. Changes in the structure of the bacterial and fungal community were evaluated through fingerprinting techniques (DGGE and T-RFLP). Abundances of 16S rRNA genes from bacteria and archaea, 18S rRNA from fungi and nifH from N-fixing bacteria were estimated by quantitative PCR. Bioindicators were evaluatedthrough enzymatic activity of β-glucosidase, acid and alkaline phosphatase, soil respiration and microbial C biomass. Season and depth were structural factors of the bacterial and fungal communities; the effect of the reduction of rains was significant in the structuring of two sampled dates for the bacterial community (in higher and lower rainfall seasons). The abundance of 16S of archaea and 18S of fungi genes was reduced due to the reduction in rainfall on one of the sampled dates, the other genes showed no effect. Biomass and soil respiration did not show any treatment effect and only the second one showed depth effect. Enzymatic activities decreased with increasing depth whereas rainfall reduction led to increased activity, this effect was prominent on the surface for β-glucosidase and acid phosphatase and in depth for alkaline phosphatase. In this study, the effect of reduced rainfall on microbial communities was verified, although to a lesser extent than seasonal variations and depth, which highlights that more studies are needed to better understand the impact of rain reduction on soil microbiological functioning