Published June 8, 2022 | Version v1
Publication Open

Soil Depth Significantly Shifted Microbial Community Structures and Functions in a Semiarid Prairie Agroecosystem

Creators

  • 1. Université Mohammed VI Polytechnique
  • 2. Université de Montréal
  • 3. Agriculture and Agri-Food Canada

Description

The North American Great Plains cover a large area of the Nearctic ecozone, and an important part of this biome is semiarid. The sustainable intensification of agriculture that is necessary to produce food for an ever-increasing world population requires knowledge of the taxonomic and functional structure of the soil microbial community. In this study, we investigated the influence of soil depth on the composition and functions of the microbial communities hosted in agricultural soils of a semiarid agroecosystem, using metagenomic profiling, and compared them to changes in soil chemical and physical properties. Shotgun sequencing was used to determine the composition and functions of the soil microbial community of 45 soil samples from three soil depths (0-15 cm, 15-30 cm, and 30-60 cm) under different agricultural land use types (native prairie, seeded prairie, and cropland) in southwest Saskatchewan. Analysis of community composition revealed the declining abundance of phyla Verrucomicrobia, Bacteroidetes, Chlorophyta, Bacillariophyta, and Acidobacteria with soil depth, whereas the abundance of phyla Ascomycota, Nitrospirae, Planctomycetes, and Cyanobacteria increased with soil depth. Soil functional genes related to nucleosides and nucleotides, phosphorus (P) metabolism, cell division and cell cycle, amino acids and derivatives, membrane transport, and fatty acids were particularly abundant at 30-60 cm. In contrast, functional genes related to DNA and RNA metabolism, metabolism of nitrogen, sulfur and carbohydrates, and stress response were more abundant in the top soil depth. The RDA analysis of functional genes and soil physico-chemical properties revealed a positive correlation between phages and soil organic P concentrations. In the rooting zone of this semiarid agroecosystem, soil microbes express variable structural patterns of taxonomic and functional diversity at different soil depths. This study shows that the soil microbial community is structured by soil depth and physicochemical properties, with the middle soil depth being an intermediate transition zone with a higher taxonomic diversity. Our results suggest the co-existence of various microbial phyla adapted to upper and lower soil depths in an intermediate-depth transition zone.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تغطي السهول الكبرى في أمريكا الشمالية مساحة كبيرة من المنطقة البيئية القريبة من القطب الشمالي، وجزء مهم من هذه المنطقة الحيوية شبه جاف. يتطلب التكثيف المستدام للزراعة الضروري لإنتاج الغذاء لسكان العالم المتزايدين باستمرار معرفة الهيكل التصنيفي والوظيفي للمجتمع الميكروبي للتربة. في هذه الدراسة، قمنا بالتحقيق في تأثير عمق التربة على تكوين ووظائف المجتمعات الميكروبية المستضافة في التربة الزراعية للنظام البيئي الزراعي شبه الجاف، باستخدام التنميط الميتاجينومي، ومقارنتها بالتغيرات في الخصائص الكيميائية والفيزيائية للتربة. تم استخدام تسلسل البنادق لتحديد تكوين ووظائف المجتمع الميكروبي للتربة المكون من 45 عينة تربة من ثلاثة أعماق تربة (0-15 سم، 15-30 سم، و 30-60 سم) تحت أنواع مختلفة من استخدامات الأراضي الزراعية (المروج الأصلية والمروج المزروعة والأراضي الزراعية) في جنوب غرب ساسكاتشوان. كشف تحليل تكوين المجتمع عن انخفاض وفرة الشعب الثؤلولية، والبكتريا، والنباتات الخضراء، والعصيات، والبكتيريا الحمضية مع عمق التربة، في حين زادت وفرة الشعب الأسكوميكوتا، والنيتروسبيرا، والفطريات السماوية، والبكتيريا الزرقاء مع عمق التربة. كانت الجينات الوظيفية للتربة المتعلقة بالنيوكليوزيدات والنيوكليوتيدات، واستقلاب الفوسفور (P)، وانقسام الخلايا ودورة الخلية، والأحماض الأمينية ومشتقاتها، ونقل الأغشية، والأحماض الدهنية وفيرة بشكل خاص عند 30-60 سم. في المقابل، كانت الجينات الوظيفية المتعلقة باستقلاب الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبي RNA، واستقلاب النيتروجين والكبريت والكربوهيدرات، والاستجابة للإجهاد أكثر وفرة في عمق التربة العلوي. كشف تحليل RDA للجينات الوظيفية والخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة عن وجود علاقة إيجابية بين العاثيات وتركيزات P العضوية في التربة. في منطقة التأصيل لهذا النظام البيئي الزراعي شبه الجاف، تعبر ميكروبات التربة عن أنماط هيكلية متغيرة للتنوع التصنيفي والوظيفي في أعماق التربة المختلفة. تُظهر هذه الدراسة أن المجتمع الميكروبي للتربة مبني على عمق التربة والخصائص الفيزيائية الكيميائية، مع كون عمق التربة الأوسط منطقة انتقالية وسيطة ذات تنوع تصنيفي أعلى. تشير نتائجنا إلى وجود العديد من الشعب الميكروبية المتكيفة مع أعماق التربة العلوية والسفلية في منطقة انتقالية متوسطة العمق.

Translated Description (French)

Les Grandes Plaines d'Amérique du Nord couvrent une grande partie de l'écozone Nearctique, et une partie importante de ce biome est semi-aride. L'intensification durable de l'agriculture qui est nécessaire pour produire de la nourriture pour une population mondiale de plus en plus nombreuse nécessite une connaissance de la structure taxonomique et fonctionnelle de la communauté microbienne du sol. Dans cette étude, nous avons étudié l'influence de la profondeur du sol sur la composition et les fonctions des communautés microbiennes hébergées dans les sols agricoles d'un agroécosystème semi-aride, en utilisant le profil métagénomique, et les avons comparées aux changements dans les propriétés chimiques et physiques du sol. Le séquençage au fusil de chasse a été utilisé pour déterminer la composition et les fonctions de la communauté microbienne du sol de 45 échantillons de sol provenant de trois profondeurs de sol (0-15 cm, 15-30 cm et 30-60 cm) sous différents types d'utilisation des terres agricoles (prairie indigène, prairie ensemencée et terres cultivées) dans le sud-ouest de la Saskatchewan. L'analyse de la composition de la communauté a révélé la diminution de l'abondance des phylums Verrucomicrobia, Bacteroidetes, Chlorophyta, Bacillariophyta et Acidobacteria avec la profondeur du sol, alors que l'abondance des phylums Ascomycota, Nitrospirae, Planctomycetes et Cyanobacteria augmentait avec la profondeur du sol. Les gènes fonctionnels du sol liés aux nucléosides et aux nucléotides, au métabolisme du phosphore (P), à la division cellulaire et au cycle cellulaire, aux acides aminés et dérivés, au transport membranaire et aux acides gras étaient particulièrement abondants à 30-60 cm. En revanche, les gènes fonctionnels liés au métabolisme de l'ADN et de l'ARN, au métabolisme de l'azote, du soufre et des glucides, et à la réponse au stress étaient plus abondants dans la profondeur supérieure du sol. L'analyse RDA des gènes fonctionnels et des propriétés physico-chimiques du sol a révélé une corrélation positive entre les phages et les concentrations de P organique du sol. Dans la zone d'enracinement de cet agroécosystème semi-aride, les microbes du sol expriment des modèles structurels variables de diversité taxonomique et fonctionnelle à différentes profondeurs du sol. Cette étude montre que la communauté microbienne du sol est structurée par la profondeur du sol et les propriétés physico-chimiques, la profondeur moyenne du sol étant une zone de transition intermédiaire avec une diversité taxonomique plus élevée. Nos résultats suggèrent la coexistence de divers phylums microbiens adaptés aux profondeurs supérieures et inférieures du sol dans une zone de transition de profondeur intermédiaire.

Translated Description (Spanish)

Las Grandes Llanuras de América del Norte cubren una gran área de la ecozona neártica, y una parte importante de este bioma es semiárido. La intensificación sostenible de la agricultura que es necesaria para producir alimentos para una población mundial cada vez mayor requiere el conocimiento de la estructura taxonómica y funcional de la comunidad microbiana del suelo. En este estudio, investigamos la influencia de la profundidad del suelo en la composición y funciones de las comunidades microbianas alojadas en suelos agrícolas de un agroecosistema semiárido, utilizando perfiles metagenómicos, y los comparamos con los cambios en las propiedades químicas y físicas del suelo. La secuenciación con escopeta se utilizó para determinar la composición y las funciones de la comunidad microbiana del suelo de 45 muestras de suelo de tres profundidades de suelo (0-15 cm, 15-30 cm y 30-60 cm) bajo diferentes tipos de uso de tierras agrícolas (pradera nativa, pradera sembrada y tierras de cultivo) en el suroeste de Saskatchewan. El análisis de la composición de la comunidad reveló la disminución de la abundancia de phyla Verrucomicrobia, Bacteroidetes, Chlorophyta, Bacillariophyta y Acidobacteria con la profundidad del suelo, mientras que la abundancia de phyla Ascomycota, Nitrospirae, Planctomycetes y Cyanobacteria aumentó con la profundidad del suelo. Los genes funcionales del suelo relacionados con los nucleósidos y nucleótidos, el metabolismo del fósforo (P), la división celular y el ciclo celular, los aminoácidos y derivados, el transporte de membrana y los ácidos grasos fueron particularmente abundantes a 30-60 cm. Por el contrario, los genes funcionales relacionados con el metabolismo del ADN y el ARN, el metabolismo del nitrógeno, el azufre y los carbohidratos, y la respuesta al estrés fueron más abundantes en la profundidad del suelo superior. El análisis de RDA de genes funcionales y propiedades fisicoquímicas del suelo reveló una correlación positiva entre los fagos y las concentraciones de P orgánico del suelo. En la zona de enraizamiento de este agroecosistema semiárido, los microbios del suelo expresan patrones estructurales variables de diversidad taxonómica y funcional a diferentes profundidades del suelo. Este estudio muestra que la comunidad microbiana del suelo está estructurada por la profundidad del suelo y las propiedades fisicoquímicas, siendo la profundidad media del suelo una zona de transición intermedia con una mayor diversidad taxonómica. Nuestros resultados sugieren la coexistencia de varios filos microbianos adaptados a las profundidades superiores e inferiores del suelo en una zona de transición de profundidad intermedia.

Files

pdf.pdf

Files (2.0 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:e7e6df997fbdd8726c6655cd78cbd62c
2.0 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تغير عمق التربة بشكل كبير في الهياكل والوظائف المجتمعية الميكروبية في نظام بيئي زراعي شبه قاحل
Translated title (French)
Profondeur du sol Structures et fonctions de la communauté microbienne considérablement déplacées dans un agroécosystème semi-aride des Prairies
Translated title (Spanish)
Estructuras y funciones de la comunidad microbiana significativamente desplazadas en profundidad del suelo en un agroecosistema de pradera semiárida

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4281953033
DOI
10.3389/fmicb.2022.815890

Is supplement to
https://openalex.org/W3025966694 (Other)
https://openalex.org/W2415560983 (Other)
https://openalex.org/W2373602428 (Other)
https://openalex.org/W2373421839 (Other)
https://openalex.org/W2185169698 (Other)
https://openalex.org/W2129941125 (Other)
https://openalex.org/W2067783849 (Other)
https://openalex.org/W2032849172 (Other)
https://openalex.org/W2014888476 (Other)
https://openalex.org/W1855390875 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Morocco

References

  • https://openalex.org/W1943209374
  • https://openalex.org/W1974718120
  • https://openalex.org/W1985772484
  • https://openalex.org/W1987027793
  • https://openalex.org/W1989348205
  • https://openalex.org/W2002887088
  • https://openalex.org/W2005305759
  • https://openalex.org/W2009766566
  • https://openalex.org/W2022866472
  • https://openalex.org/W2033657643
  • https://openalex.org/W2044426027
  • https://openalex.org/W2050890478
  • https://openalex.org/W2051646171
  • https://openalex.org/W2055429420
  • https://openalex.org/W2070259354
  • https://openalex.org/W2071462306
  • https://openalex.org/W2088912481
  • https://openalex.org/W2097205777
  • https://openalex.org/W2097557545
  • https://openalex.org/W2097959073
  • https://openalex.org/W2101869361
  • https://openalex.org/W2107248990
  • https://openalex.org/W2111993309
  • https://openalex.org/W2114034054
  • https://openalex.org/W2117675010
  • https://openalex.org/W2127170577
  • https://openalex.org/W2131873925
  • https://openalex.org/W2132950259
  • https://openalex.org/W2140238800
  • https://openalex.org/W2151303612
  • https://openalex.org/W2152885278
  • https://openalex.org/W2153109441
  • https://openalex.org/W2154117472
  • https://openalex.org/W2203188289
  • https://openalex.org/W2210058044
  • https://openalex.org/W2283837117
  • https://openalex.org/W2421920144
  • https://openalex.org/W2436469027
  • https://openalex.org/W2467482450
  • https://openalex.org/W2471956941
  • https://openalex.org/W2586752358
  • https://openalex.org/W2735984765
  • https://openalex.org/W2751708274
  • https://openalex.org/W2776254904
  • https://openalex.org/W2810678126
  • https://openalex.org/W2888052187
  • https://openalex.org/W2946862318
  • https://openalex.org/W2954542438
  • https://openalex.org/W2989688343
  • https://openalex.org/W2997009581
  • https://openalex.org/W4242702784
  • https://openalex.org/W4285719527
  • https://openalex.org/W582783441