Rhizospheric microbial communities of plants coexisting under different edaphic conditions

Abstract

Plants exert strong influence on soil microrganisms through root exudation. When two plant species are growing together, the resulting rhizospheric microbial communities differs from that observed in the respective monocultures. This new rhizobiome can directly affect the adaptability and the ecological interactions of the plant species living in coexistence. In addition, soil edaphic conditions such as different levels of fertility and changes in the electrical conductivity, also promote changes in the rhizobiome and, consequently, in the interactions established by the plants in coexistence. Thus, the aims of this work were: I) to evaluate the ecological relationships and the microbial taxons present in the rhizosphere of weeds in monoculture and coexistence; II) to evaluate how soil fertilization affects the ecological interactions between Zea mays and weeds and their associations with rhizosphere microroganisms and III) to evaluate the outcomes of Zea mays-weed interactions as a function of soil EC associated with changes in the structure of the rhizosphere microbial communities. To achieve the first objective, an experiment was conducted in a greenhouse using three weed species, Ageratum conyzoides, Ipomoea ramosissima, and Bidens pilosa that were grown in monoculture and in coexistence. The total soil DNA was extracted and sequenced via the Illumina MiSeq platform using primers specific for the 16S rRNA of bacteria and archaea and the ITS region of fungi. Competition interactions were observed between all tested weed combinations. Differences in the bacterial diversity of competing weeds were observed. For some specific bacterial groups, such as the genera Bdellovibrio, Flexibacter and Domibacillus, and the fungal phylum Ascomycota, smaller changes in abundance were recorded. To achieve the second objective, another experiment was conducted in a greenhouse with two weed species Amaranthus viridis and Bidens pilosa and Zea mays, in monoculture and in coexistence, submitted to two different fertility managements. The total DNA of the soil was also extracted and the sequencing carried out as in the previous experiment. Maize showed greater competitive ability than weeds under natural soil fertility, no difference in competiveness was observed among the plants tested after soil fertilization. Bacterial diversity was negatively affected by fertility and specific taxa were differently affected by the two factors evaluated, plant coexistence and soil fertilization. The fungal community did not change at α and β diversity in any of the samples analyzed. To achieve the third objective, an experiment similar to the previous one was conducted in a greenhouse, adopting distinct levels of soil electrical conductivity (EC). For the interaction between maize and B. pilosa, the ecological relations between these plants changed from competition to facilitation as EC was increased. Increases in soil EC caused significant changes in bacterial diversity and in the structure and composition of bacterial and fungal taxa. These changes were associated to changes in the outcome of mayze-weed interactions. Keywords: Zea mays. Ageratum conizoydes. Amaranthus viridis. Ipomoea ramosissima. Bidens pilosa. Plant Coexistence. Microbial Diversity. llumina MiSeq sequencing. 16S rRNA and ITS. Fertility. Electrical Conductivity.

As plantas exercem forte influência sobre os microrganismos do solo através da exsudação radicular. Quando espécies de plantas crescem juntas, as comunidades microbianas rizosféricas resultantes diferem das observadas nas respectivas monoculturas. Esse novo rizobioma pode afetar diretamente a adaptabilidade e as interações ecológicas das espécies vegetais em coexistência. Além disso, condições edáficas do solo, como diferentes níveis de fertilidade e alterações na condutividade elétrica, também promovem alterações no rizobioma e, consequentemente, nas interações estabelecidas pelas plantas em coexistência. Assim, os objetivos deste trabalho foram: I) avaliar as relações ecológicas e os táxons microbianos presentes na rizosfera de plantas daninhas em monocultura e coexistência; II) avaliar como a fertilização do solo afeta as interações ecológicas entre Zea mays e plantas daninhas e as suas associações com os microrganismos da rizosfera, e III) avaliar os resultados das interações entre Zea mays e plantas daninhas em função da condutividade elétrica (CE) do solo associada a alterações na estrutura das comunidades microbianas da rizosfera. Para atingir o primeiro objetivo, um experimento foi conduzido em casa de vegetação, utilizando três espécies de plantas daninhas, Ageratum conyzoides, Ipomoea ramosissima e Bidens pilosa, cultivadas em monocultura e coexistência. O DNA total do solo foi extraído e sequenciado através da plataforma Illumina MiSeq, usando primers específicos para os genes que codificam o rRNA 16S de bactérias e arquéias e a região ITS de fungos. Foram observadas interações de competição entre todas as combinações de plantas daninhas avaliadas e diferenças na diversidade bacteriana rizosférica a depender das espécies em coexistência. Para alguns grupos bacterianos específicos, como os gêneros Bdellovibrio, Flexibacter e Domibacillus e o filo fúngico Ascomycota, foram observadas pequenas alterações na abundância. Para atingir o segundo objetivo, outro experimento foi conduzido em casa de vegetação com duas espécies de plantas daninhas, Amaranthus viridis e Bidens pilosa e a cultura Zea mays, crescidas em monocultivo e coexistência, e submetidas a dois diferentes manejos de fertilidade. O DNA total do solo também foi extraído e o sequenciamento foi realizado como no experimento anterior. O milho apresentou maior capacidade competitiva do que as plantas daninhas sob fertilidade natural do solo e não houve diferença de competitividade entre as plantas testadas após a fertilização do solo. A diversidade bacteriana foi afetada negativamente pela fertilidade e táxons específicos foram afetados diferentemente pelos dois fatores avaliados, coexistência de plantas e fertilização do solo. A comunidade fúngica não apresentou alteração nas diversidades α e β em nenhuma das amostras analisadas. E para atingir o terceiro objetivo, um experimento semelhante ao anterior foi realizado em casa de vegetação, adotando-se dessa vez, níveis distintos de CE do solo. A interação entre milho e B. pilosa variou de competição para facilitação com o aumento da CE do solo. Após análise do sequenciamento, observou-se que os aumentos na CE do solo alteraram a diversidade bacteriana e a estrutura e composição dos táxons bacterianos e fúngicos, e essas alterações foram associadas com mudanças nas interações ecológicas entre milho e plantas daninhas. Palavras-chave: Zea mays. Ageratum conizoydes. Amaranthus viridis. Ipomoea ramosissima. Bidens pilosa. Coexistência de Plantas. Diversidade Microbiana. Sequenciamento llumina MiSeq. rRNA 16S e ITS. Fertilidade. Condutividade Elétrica.