SOIL BIOLOGICAL ATTRIBUTES AND RHIZOSPHERE MICROBIAL COMMUNITY OF PRICKLY-PEAR CACTUS INOCULATED WITH Bacillus AND Paenibacillus

Abstract

RESUMO: Em regiões semiáridas, plantas tolerantes à seca, como a palma forrageira (family Cactaceae), são essenciais para sustentar a produção de alimentos para humanos e animais. No entanto, secas prolongadas, intensificadas pelas mudanças climáticas, podem comprometer o crescimento dessa planta. Alguns táxons bacterianos, como Bacillus e Paenibacillus, são conhecidos por colonizar a rizosfera e promover o crescimento das plantas (BPCP), além de atenuar os efeitos do estresse hídrico. No entanto, pouco se sabe sobre os efeitos da inoculação em cactáceas na biomassa microbiana, na atividade enzimática e no microbioma da rizosfera de plantas sob as condições edafoclimáticas do semiárido. Nesse contexto, o objetivo dessa Tese de doutorado foi compreender os efeitos da inoculação de Bacillus subtilis e Paenibacillus sp. em dois genótipos de palma forrageira, da espécie Nopalea cochenillifera Salm-Dick, sendo elas a ‘Baiana’ e a ‘Doce’ nas propriedades biológicas e microbioma da rizosfera nas condições edafoclimáticas do semiárido e sob déficit hídrico. No capítulo I e II foi conduzido um experimento a campo, em um delineamento inteiramente casualizado em parcelas subsubdivididas (2×3×2). A parcela principal foi o estágio de crescimento (90 e 270 dias) após o plantio da palma, enquanto a subparcela correspondeu à inoculação com BPCP (sem inoculação e inoculação com B. subtilis e Paenibacillus sp.). A sub-subparcela foi composta por dois genótipos de palma forrageira (‘Baiana’ e ‘Doce’). No capítulo I avaliou-se a biomassa microbiana de C, N e P, além da atividade enzimática, e concluiu-se que interação entre estágio de crescimento, táxons de BPCP e genótipos de palma influenciam significativamente a biomassa microbiana e a atividade enzimática na rizosfera, e que a combinação de genótipos específicos com B. subtilis pode aumentar a disponibilidade de fósforo. No capítulo II avaliou-se a diversidade, a composição e o enriquecimento das comunidades bacterianas na rizosfera, e concluiu-se que o microbioma da rizosfera da palma forrageira foi moldado principalmente pelo estágio de crescimento da planta, com grupos bacterianos-chave potencialmente associados à tolerância ao estresse. O capítulo III foi um experimento em casa de vegetação, em delineamento em blocos ao acaso, com arranjo fatorial 3 × 2. Os fatores adotados foram inoculação com BPCP (sem inoculação e inoculação com B. subtilis e Paenibacillus sp.) e duas condições de disponibilidade hídrica (50% e 25% da capacidade de campo do solo). O genótipo de palma forrageira utilizado foi a ‘Miúda’ (equivalente ao genótipo ‘Doce’), e foram avaliados a estrutura, diversidade, abundância e redes de co-ocorrência da comunidade bacteriana da rizosfera. A partir dos resultados, concluiu-se que a disponibilidade de água alterou significativamente a estrutura da comunidade bacteriana, com Actinobacteriota dominando sob déficit hídrico e Proteobacteria sob condições bem irrigadas, além disso, B. subtilis promoveu redes microbianas cooperativas e pode potencialmente aumentar a resiliência à seca. ABSTRACT: In semiarid regions, drought-tolerant plants such as prickly pear cactus (family Cactaceae) areessential for sustaining food production for both humans and livestock. However, pro longed droughts intensified by climate change can compromise the growth of this plant. Some bacterial taxa, such as Bacillus and Paenibacillus, are known to colonize the rhizosphere and promote plant growth (PGPB), as well as mitigate the effects of water stress. Nevertheless, little is known about the effects of inoculation in cactus species on microbial biomass, enzymatic activity, and the rhizosphere microbiome under semiarid soil and climatic conditions. In this context, the aim of this doctoral thesis was to investigate the effects of inoculation with Bacillus subtilis and Paenibacillus sp. on two genotypes of prickly pear cactus (Nopalea cochenillifera Salm-Dick), ‘Baiana’ and ‘Doce’, and to evaluate their impacts on biological properties and the rhizosphere microbiome under semiarid edaphoclimatic conditions and water deficit. In Chapters I and II, a field experiment was conducted using a completely randomized design in a split-split plot arrangement (2 × 3 × 2). The main plot factor was plant growth stage (90 and 270 days after planting), the subplot factor was PGPB inoculation (non-inoculated, and inoculated with B. subtilis or Paenibacillus sp.), and the sub-subplot factor consisted of the two cactus genotypes (‘Baiana’ and ‘Doce’). In Chapter I, microbial biomass C, N, and P, as well as enzymatic activities, were evaluated. The results showed that interactions among growth stage, PGPB taxa, and cactus genotypes significantly influenced microbial biomass and enzymatic activity in the rhizosphere, and that combining specific genotypes with B. subtilis can enhance phosphorus availability. In Chapter II, the diversity, composition, and enrichment of rhizosphere bacterial communities were assessed. It was concluded that the rhizosphere microbiome of prickly pear cactus was shaped primarily by plant growth stage, with key bacterial groups potentially associated with stress tolerance. Chapter III describes a greenhouse experiment arranged in a randomized block design with a 3 × 2 factorial structure. The factors included PGPB inoculation (non-inoculated, inoculated with B. subtilis, or inoculated with Paenibacillus sp.) and two water availability conditions (50% and 25% of soil field capacity). The cactus genotype used was ‘Miúda’ (equivalent to the ‘Doce’ genotype), and the structure, diversity, abundance, and co-occurrence networks of the rhizosphere bacterial community were evaluated. The results showed that water availability significantly altered bacterial community structure, with Actinobacteriota dominating under water deficit and Proteobacteria under well-watered conditions. Additionally, B. subtilis promoted cooperative microbial networks and may potentially enhance drought resilience.