Análisis de la funcionalidad y diversidad microbiana en suelos dedicados al cultivo de papa criolla (Solanum phureja) mediante una aproximación metagenómica

Abstract

Los microorganismos constituyen las dos terceras partes de la diversidad biológica de la Tierra. Se reconoce que hasta el 99% no son cultivables por técnicas estándar de laboratorio, lo que hace indispensable la implementación de métodos independientes de cultivo, como la metagenómica, para acceder a la diversidad genética y la estructura de la población con el fin de aprovechar este conocimento en procesos de bioprospección. En este estudio se construyeron librerías metagenómicas en fósmidos utilizando ADN ambiental directamente aislado de muestras de suelos con manejo agrícola tradicional y orgánico, dedicados al cultivo de papa criolla (Solanum phureja). Se obtuvo un total de 1728 clones para la librería de suelos orgánicos y de 5568 para la librería tradicional. Los clones fueron crecidos en diferentes sustratos para identificar actividades relacionadas con el ciclo del Carbono y del Fósforo. El tamizaje funcional reveló la presencia de 22 clones con actividad celulolítica, 4 con actividad proteolítica y 14 con potencial actividad solubilizadora de Fosfato. Todos los fósmidos con potencial funcional fueron secuenciados simultáneamente utilizando pirosecuenciación e identificados mediante una metodología innovadora. Los clones identificados fueron caracterizados genómicamente, encontrando dominios pertenecientes a familias de proteínas glicosil-hidrolasas, proteasas, además de pirroloquinolina quinona. Los análisis de diversidad a nivel taxonómico, mostraron la presencia de bacterias pertenecientes en su mayoría a los grupos de α- β Υ-proteobacterias, Actinobacterias y Bacterias no identificadas. Este es el primer estudio metagenómico funcional llevado a cabo en suelos dedicados a cultivos agrícolas y revela tanto a nivel funcional como de diversidad taxonómica, el gran potencial de estos suelos para estudios de metagenómica y bioprospección. / Abstract. Microorganisms make up to two thirds of the Earth’s biological diversity. It has been noticed that up to 99% cannot be cultured with standard laboratory techniques, which makes necessary the implementation of culture-independent methods, such as metagenomics, to access genomic diversity and population structure as the starting point for bioprospection. In this study, two metagenomic libraries were constructed in fosmids using environmental DNA isolated directly from soil samples with traditional and organic agricultural techniques in yellow potato (Solanum phureja) crops. We obtained a total of 1728 clones for the organic soil library and 5568 clones for the traditional library. These clones were grown in different substrates to identify carbon and phosphate cycle enzymatic activities. The functional screening revealed the presence of 20 clones with cellulolytic activity, 3 clones with proteolytic activity as well as 14 clones with a potential phosphate solubilizing activity. All these fosmids with functional potential were pyrosequenced simoultaneously and were identified implementing a ground-breaking methodology. The clones were genetically characterized finding domains belonging to glicosyl-hydrolases and proteases families, as well as the pyrroloquinoline quinine protein. Bacteria, belonging mostly to α-, β-, Υ-proteobacteria, actinobacteria and non-identified bacteria were found in the diversity analysis at taxonomical level. To our knowledge, this is the first metagenomic functional study in soils dedicated to agricultural crops and reveals, in taxonomic diversity as well as functionality, the great potential of these soils for metagenomic studies and bioprospection.