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Tipo: Tese
Título: Espectrometria de reflectância e sequenciamento molecular do gene 16S rRNA no estudo da crosta biológica do solo no bioma Caatinga
Título em inglês: Reflectance spectrometry and molecular sequencing of the 16S rRNA gene in the study of soil biological crust in the Caatinga biome
Autor(es): Pinheiro, José Israel
Orientador: Mendes Filho, Paulo Furtado
Coorientador: Pereira, Arthur Prudêncio de Araújo
Palavras-chave: Diversidade microbiana;Metabolismo funcional;Remoção do contínuo
Data do documento: 2021
Citação: PINHEIRO, José Israel. Espectrometria de reflectância e sequenciamento molecular do gene 16S rRNA no estudo da crosta biológica do solo no bioma Caatinga. 2021. 101 f. Tese (Doutorado em Ciência do Solo) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2021.
Resumo: Os ecossistemas de regiões áridas e semiáridas são fortemente afetados pela desertificação. As crostas biológicas do solo (CBS ou biocrostas) se desenvolvem especialmente nestes ambientes. Recentemente, pesquisas em todo o mundo têm explorado a diversidade microbiana da CBS e o seu papel nos ciclos biogeoquímicos. No entanto, no bioma Caatinga as pesquisas com CBS ainda são incipientes. Diante disso, objetivou-se obter a composição e diversidade microbiana da CBS na Caatinga e investigar a funcionalidade da CBS, mapear a cobertura e estabelecer relações entre elementos da CBS e dados de Sensoriamento Remoto (SR). Para isso, foram usados i) o Sequenciamento do gene 16S rRNA e; ii) dados de SR hiperespectral. Foram coletadas 110 amostras de CBS em área do Núcleo de Desertificação, no município de Irauçuba/CE. Posteriormente, foram realizadas análises espectrais na CBS, usando o espectrorradiômetro FieldSpec Pro FR 3®. Também foram avaliados os fatores de reflectância e o comportamento espectral da CBS. Ademais, foi removido o contínuo (RC) dos espectros da CBS, calculados índices multi e hiperespectrais de CBS e gerados modelos de regressão linear para estimar teores de C, N, P e o pH na CBS. As análises moleculares foram realizadas em 34 amostras de CBS, nas quais o DNA total das amostras foi extraído e, depois, realizado o sequenciamento do gene 16S rRNA, na plataforma Illumina Miseq®. Os dados foram agrupados em unidades taxonômicas operacionais (OTUs), as quais foram classificadas taxonomicamente usando o banco de dados SILVA (138), com o auxílio do QIIME (v. 1.9). Assim, foram gerados índices de diversidade microbiana e riqueza (número de OTUs), abundância relativa e funcionalidade metabólica da CBS. Os filos bacterianos mais abundantes na CBS foram Cyanobacteria, Chloroflexi, Proteobacteria e Actinobacteria, a classe e ordem mais abundantes nas crostas foram Oxyphotobacteria e Nostocales, respectivamente. Para os espectros de reflectância, as CBS apresentaram fatores de reflectância distintos, com valores muito baixo na região do visível (VIS). Observou-se um sutil achatamento entre 600 e 700 nm, atribuível à absorção por pigmentos fotossintéticos na CBS. O CRCIA classificou a maioria das amostras como CBS-Cianobactéria. A RC extraiu 3 núcleos de absorção característicos de CBS. As melhores estimativas dos modelos de regressão linear foram para 1Der e RC, em relação ao pH, com R2ajustado na calibração de 0,718 e 0,571; e RMSE de validação de 0,182 e 0,159, respectivamente. Embora, ainda em fases iniciais, os resultados indicam uma perspectiva promissora, instigando à realização de novas pesquisas relacionadas a CBS no bioma Caatinga.
Abstract: The ecosystems of arid and semi-arid regions are strongly affected by desertification. Biological soil crusts (BSC or biocrusts) develop especially in these environments. Recently, research around the world has explored the microbial diversity of BSC and its role in biogeochemical cycles. However, in the Caatinga biome, research with BSC is still incipient. Therefore, the objective was to obtain the composition and microbial diversity of BSC in the Caatinga and investigate the functionality of the BSC, map the coverage and establish relationships between BSC elements and Remote Sensing (RS) data. For this, i) sequencing of the 16S rRNA gene and; ii) hyperspectral RS data. 110 samples of BSC were collected in the area of the Nucleus of Desertification, in the city of Irauçuba/CE. Subsequently, spectral analyzes were performed on the BSC, using the FieldSpec Pro FR 3® spectroradiometer. The reflectance factors and the spectral behavior of BSC were also evaluated. Furthermore, the continuum removed was (CR) of the BSC spectra, multi and hyperspectral indices of BSC were calculated and linear regression models were generated to estimate C, N, P and pH contents in BSC. Molecular analyzes were performed on 34 samples of BSC, in which the total DNA of the samples was extracted and, later, the sequencing of the 16S rRNA gene was performed on the Illumina Miseq® platform. Data were grouped into operational taxonomic units (OTUs), which were taxonomically classified using the SILVA database (138), with the help of QIIME (v. 1.9). Thus, indices of microbial diversity and richness (number of OTUs), relative abundance and metabolic functionality of BSC were generated. The most abundant bacterial phyla in BSC were Cyanobacteria, Chloroflexi, Proteobacteria and Actinobacteria, the most abundant class and order in the crusts were Oxyphotobacteria and Nostocales, respectively. For the reflectance spectra, the BSC showed different reflectance factors, with very low values in the visible region (VIS). A subtle flattening was observed between 600 and 700 nm, attributable to absorption by photosynthetic pigments in BSC. The CRCIA classified most samples as BSC-Cyanobacteria. RC extracted 3 absorption nuclei characteristic of CBS. The best estimates of the linear regression models were for 1Der and RC, in relation to pH, with R2 adjusted in the calibration of 0.718 and 0.571; and validation RMSE of 0.182 and 0.159, respectively. Although, still in the initial stages, the results indicate a promising perspective, encouraging further research related to BSC in the Caatinga biome.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/65224
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