Genetic diversity and activity of Metarhizium spp. in coffee systems of the Cerrado of Minas Gerais
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Universidade Federal de Viçosa
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Tropical coffee cultivation faces growing sustainability challenges due to the biological simplification of monoculture and the intensification of extreme weather events. Regenerative systems enhance the ecosystem service of biological control by maintaining natural enemies and improving soil health. Entomopathogenic fungi of the genus Metarhizium are favored in these systems, where habitat complexity supports their multifunctional lifestyles such as saprophytes, growth-promoting endophytes, and biological control agents. To understand how plant diversification maintains these fungal populations at real-world production levels, this study investigates how regenerative coffee systems in the Cerrado of Minas Gerais affect the conservation, population genetic structure, and functional activity of Metarhizium spp. This study was based on isolates obtained from two complementary sources: an isolate bank originating from experimental regenerative coffee systems implemented in 2019 and evaluated until 2021, and new samplings carried out from 2023 to 2025 in 12 commercial coffee farms in the region. In Chapter 1, we characterized the genetic diversity of the genus Metarhizium through population structure and multilocus phylogeny, confirming the predominance of Metarhizium robertsii and M. brunneum, and evaluated the effects of management, temporal variation, and microhabitats on haplotype distribution. We found that the M. robertsii haplotype h1 is predominant in coffee crops in the Cerrado of Minas Gerais, regardless of management, season, or microhabitat. Furthermore, we observed that the regenerative system harbored exclusive strains, such as haplotype h2 of M. robertsii and two isolates of M. brunneum. In Chapter 2, we evaluated the functional dimension of this diversity through the entomopathogenic activity of these isolates, using insect bait bioassays (Tenebrio molitor). While the monoculture showed drastic fluctuations in T. molitor mortality in 2025, the regenerative system maintained stable entomopathogenic activity. Thus, the results of this thesis highlight that strategic plant diversification of coffee crops in the Cerrado of Minas Gerais conserves native strains with high symbiotic potential, while also increasing the genetic complexity and functional stability of Metarhizium in the soil over time. Therefore, the transition to regenerative systems establishes itself as a viable and necessary alternative to conventional monoculture, ensuring sustainability in coffee production by maintaining ecosystem services provided by these fungi and by bioprospecting promising metarhizium spp. strains for the development of new biological inputs. Keywords: Ecosystem services; Conservative Biological Control; Haplotypes; Entomopathogenic fungi.
A cafeicultura em regiões tropicais enfrenta desafios crescentes de sustentabilidade devido à simplificação biológica da monocultura e à intensificação dos extremos climáticos. Sistemas regenerativos potencializam o serviço ecossistêmico de controle biológico, por meio da manutenção de inimigos naturais e da melhoria da saúde do solo. Fungos entomopatogênicos do gênero Metarhizium são favorecidos nesses sistemas, onde a complexidade do habitat sustenta seu modo de vida multifuncional — como saprófito, endófito promotor de crescimento e agente de controle biológico. Diante da necessidade de entender como a diversificação vegetal sustenta essas populações fúngicas em escala de produção real, neste trabalho investigamos como os sistemas regenerativos de café no Cerrado Mineiro atuam na conservação, na estrutura genética populacional e na atividade funcional de Metarhizium spp. Este estudo baseou-se em isolados obtidos de duas frentes complementares: um banco de isolados proveniente de sistemas experimentais regenerativos, implantados em 2019 e avaliados até 2021; e novas amostragens realizadas de 2023 a 2025 em 12 fazendas comerciais de café em produção na região. No Capítulo 1, caracterizamos a diversidade genética do gênero Metarhizium por meio da estrutura populacional e da filogenia multilocus, confirmando a predominância das espécies Metarhizium robertsii e M. brunneum, e avaliamos os efeitos do manejo, da variação temporal e dos micro-hábitats sobre a distribuição de haplótipos. Constatamos que o haplótipo h1 de M. robertsii é predominante em cultivos de café no Cerrado Mineiro, independentemente do manejo, da estação e do microhabitat. Além disso, constatamos que o sistema regenerativo apresentou linhagens exclusivas, como o haplótipo h2 de M. robertsii e dois isolados de M. brunneum. No Capítulo 2, avaliamos a dimensão funcional dessa diversidade por meio da atividade entomopatogênica desses isolados, por meio de bioensaios com inseto-isca (Tenebrio molitor). Enquanto o monocultivo apresentou flutuações drásticas na mortalidade de T. molitor em 2025, o sistema regenerativo manteve a atividade entomopatogênica estável. Assim, os resultados desta tese evidenciam que a diversificação estratégica dos cultivos de café no Cerrado Mineiro preserva linhagens nativas com alto potencial simbiótico, ao mesmo tempo em que aumenta a complexidade genética e a estabilidade funcional de Metarhizium spp. no solo ao longo do tempo. Dessa forma, a transição para sistemas regenerativos consolida-se como uma alternativa viável e necessária aos monocultivos convencionais, garantindo a sustentabilidade da produção de café por meio da manutenção dos serviços ecossistêmicos prestados por esses fungos e da bioprospecção de linhagens promissoras de Metarhizium spp. para o desenvolvimento de novos bioinsumos agrícolas. Palavras-chave: Serviços ecossistêmicos; Controle Biológico Conservativo.; Haplótipos; Fungo entomopatogênico.
A cafeicultura em regiões tropicais enfrenta desafios crescentes de sustentabilidade devido à simplificação biológica da monocultura e à intensificação dos extremos climáticos. Sistemas regenerativos potencializam o serviço ecossistêmico de controle biológico, por meio da manutenção de inimigos naturais e da melhoria da saúde do solo. Fungos entomopatogênicos do gênero Metarhizium são favorecidos nesses sistemas, onde a complexidade do habitat sustenta seu modo de vida multifuncional — como saprófito, endófito promotor de crescimento e agente de controle biológico. Diante da necessidade de entender como a diversificação vegetal sustenta essas populações fúngicas em escala de produção real, neste trabalho investigamos como os sistemas regenerativos de café no Cerrado Mineiro atuam na conservação, na estrutura genética populacional e na atividade funcional de Metarhizium spp. Este estudo baseou-se em isolados obtidos de duas frentes complementares: um banco de isolados proveniente de sistemas experimentais regenerativos, implantados em 2019 e avaliados até 2021; e novas amostragens realizadas de 2023 a 2025 em 12 fazendas comerciais de café em produção na região. No Capítulo 1, caracterizamos a diversidade genética do gênero Metarhizium por meio da estrutura populacional e da filogenia multilocus, confirmando a predominância das espécies Metarhizium robertsii e M. brunneum, e avaliamos os efeitos do manejo, da variação temporal e dos micro-hábitats sobre a distribuição de haplótipos. Constatamos que o haplótipo h1 de M. robertsii é predominante em cultivos de café no Cerrado Mineiro, independentemente do manejo, da estação e do microhabitat. Além disso, constatamos que o sistema regenerativo apresentou linhagens exclusivas, como o haplótipo h2 de M. robertsii e dois isolados de M. brunneum. No Capítulo 2, avaliamos a dimensão funcional dessa diversidade por meio da atividade entomopatogênica desses isolados, por meio de bioensaios com inseto-isca (Tenebrio molitor). Enquanto o monocultivo apresentou flutuações drásticas na mortalidade de T. molitor em 2025, o sistema regenerativo manteve a atividade entomopatogênica estável. Assim, os resultados desta tese evidenciam que a diversificação estratégica dos cultivos de café no Cerrado Mineiro preserva linhagens nativas com alto potencial simbiótico, ao mesmo tempo em que aumenta a complexidade genética e a estabilidade funcional de Metarhizium spp. no solo ao longo do tempo. Dessa forma, a transição para sistemas regenerativos consolida-se como uma alternativa viável e necessária aos monocultivos convencionais, garantindo a sustentabilidade da produção de café por meio da manutenção dos serviços ecossistêmicos prestados por esses fungos e da bioprospecção de linhagens promissoras de Metarhizium spp. para o desenvolvimento de novos bioinsumos agrícolas. Palavras-chave: Serviços ecossistêmicos; Controle Biológico Conservativo.; Haplótipos; Fungo entomopatogênico.
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Citation
MENDONÇA, Lais Viana Paes. Genetic diversity and activity of Metarhizium spp. in coffee systems of the Cerrado of Minas Gerais. 2026. 130 f. Tese (Doutorado em Entomologia) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa. 2026.