Bacterial community structure and diversity in the phyllosphere and their relation to plant species and volatile organic compounds

A filosfera foi considerada um ambiente extremo durante muitos anos para os microrganismos. Estudos recentes envolvendo comunidades bacterianas na superfície das plantas têm demonstrado que esta é composta por uma enorme e variável diversidade, principalmente em plantas de ambientes naturais como as da Mata Atlântica. Comparar as comunidades de bactérias de plantas de ambientes naturais com as de sistemas agrícola é de extrema importância, visto que as matas abrigam uma enorme diversidade vegetal e esta vem sendo diariamente substituída pela agricultura. Fatores ambientais como radiação UV, compostos orgânicos liberados pelas plantas em resposta à proteção, estresse osmótico e disponibilidade de nutrientes também podem induzir ou reprimir a colonização dessas bactérias na filosfera das plantas. Portanto, este trabalho traçou dois objetivos, o primeiro foi avaliar a variabilidade na comunidade bacteriana da filosfera de plantas cultivadas (soja, cana-de-açúcar, e eucalipto), localizadas em regiões geograficamente distintas, utilizando sequenciamento de bibliotecas de clones de DNA do gene rRNA 16S e comparar com as comunidades da filosfera de plantas nativas (Trichilia clausenii, Trichilia catigua e Campomanesia xanthocarpa), e o segundo, foi verificar a influência dos compostos orgânicos voláteis (COVs) emitidos pela planta, os diferentes níveis de radiação solar e a sazonalidade na seleção das comunidades bacterianas na filosfera de Trichilia clausenii, usando sequenciamento de bibliotecas de clones de cDNA do gene rRNA 16S e cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (CGEM). A análise comparativa das bibliotecas de clones do gene rRNA 16S de plantas de ambientes naturais com cultivadas, confirmou que cada espécie de planta possui sua própria comunidade de bactérias, sendo a diversidade de UTOs na filosfera de C. xanthocarpa e T. clusenii maior que a de plantas cultivadas. O filo Proteobacteria. foi predominante em ambas as filosferas de plantas cultivadas e nativas, sendo as Alphaproteobacteria dominantes na soja e na cana-de-açúcar e as Gamaproteobacteria nas filosferas das três árvores da Mata Atlântica. Este resultado sugere que a filosfera de plantas cultivadas pode selecionar grupos específicos de bactérias que não são encontradas na filosfera de espécies arbóreas da Mata Atlântica, e vice-versa, e que a substituição de florestas por culturas agrícolas pode levar a uma redução da beta-diversidade de bactérias. Já os resultados da afiliação filogenética das amostras da filosfera de Tichilia clausenii submetida a diferentes intensidades de radiações UV, também mostraram uma predominância de clones associados à Proteobacteria em todas as bibliotecas avaliadas. O fator luminosidade e o da planta, quando avaliados na mesma época, não mostraram efeito sob a comunidade bacteriana, entretanto, o efeito da sazonalidade foi bastante evidente, apresentando uma maior diversidade e riqueza de espécies durante a estação chuvosa. Os dados sugerem que as bactérias epifíticas possuem um elevado grau de adaptação a diferentes condições ambientais que são expostas.The phyllosphere has been considered an extreme environment to microorganisms for many years. Recent studies involving bacterial communities on plant surfaces has shown that they comprise an abundant and dynamic variety, mainly in natural environments, such as the Atlantic Forest. The comparison of bacterial communities from plants in natural environments with those of agricultural systems is extremely important, since forests contain an enormous plant diversity which is being replaced daily by agricultural cultivation. Environmental factors such as UV radiation, organic compounds released by plants in response to protection, osmotic pressure, and nutrient availability can either induce or suppress the colonization of bacteria in the phyllosphere of plants. Therefore, this study aimed to evaluate the variability in phyllospheric bacterial communities of native plants (Trichilia clausenii, Trichilia catigua and Campomanesia xanthocarpa) and crops (soybean, sugar cane and eucalyptus) located in geographically distinct regions, using 16S rRNA gene sequences from clone libraries, the influence of volatile organic compounds (VOCs) emitted by each plant, the different levels of solar radiation, and seasonality in the selection of bacterial communities in the phyllosphere of Trichilia clausenii using 16S rRNA gene sequences from cDNA clone libraries and gas chromatography-mass spectrometry (GCMS). The comparative analysis of the 16S rRNA gene sequences from clone libraries of plants from natural environments confirmed that each plant species has its own community of bacteria, where the diversity of OTUs in the phyllosphere of C. xanthocarpa and T. clusenii was greater than that of cultivated plants. The phylum Proteobacteria was predominant in the phyllosphere of both cultivated and native plants, where Alphaproteobacteria was dominant in phyllospheres of soybean and sugar cane and Gamaproteobacteria was harbored on the three trees of the Atlantic Forest. These results suggest that the phyllosphere of cultivated plants can select for specific groups of bacteria that are not found in the phyllosphere of tree species in the Atlantic Forest, and vice versa, where the conversion of forests to agriculture may lead to a reduction of bacterial beta diversity. The results of the phylogenetic affiliation between the phyllospheres of Tichilia clausenii, subjected to different intensities of UV radiation, also showed a predominance of clones associated with Proteobacteria in the evaluated clone libraries. The light factor, which was evaluated during the same period, showed no effect on the bacterial community, however, seasonal effects were quite evident, showing a higher diversity and species richness during the rainy season. This data suggests that epiphytic bacteria are equipped with a high degree of adaptation to different environmental conditions that they are exposed to