Molecular approaches to the study of the microbial community in semi-natural and agricultural soils

Abstract

Esta tesis doctoral investiga la ecología microbiana del suelo, centrándose en los ciclos biogeoquímicos del fósforo (P), nitrógeno (N) y carbono (C) en suelos agrícolas y naturales. Mediante enfoques multi-ómicos —metagenómica, metaproteómica, metatranscriptómica y genomas ensamblados a partir de metagenomas (MAGs)— se analizan la composición funcional del microbioma edáfico, su especialización ecológica y su respuesta a factores como la fertilización, la fenología del cultivo y la descomposición de materia orgánica.

Los objetivos específicos fueron: (i) estudiar el efecto de distintos fertilizantes sobre procesos clave del ciclo del fósforo (capítulo 1) y del nitrógeno (capítulo 2) usando metagenómica y metaproteómica; y (ii) analizar la degradación de biopolímeros vegetales y fúngicos en suelos forestales (capítulo 3) mediante metagenómica, metatranscriptómica y MAGs.

Los resultados muestran que la fenología del cultivo es un factor decisivo en la expresión génica asociada a los ciclos de nitrógeno y fósforo, superando incluso el efecto de la fertilización. La nitrificación y la desnitrificación están moduladas por el desarrollo vegetal, lo que implica que las estrategias de fertilización deben sincronizarse con el momento fenológico. Aunque la fertilización también afecta la expresión funcional microbiana (por ejemplo, promoviendo procesos como DNRA o estimulando rutas específicas), las enmiendas orgánicas requieren gestión cuidadosa para sincronizar la liberación de nutrientes con la demanda del cultivo.

En el ciclo del fósforo, se identificaron gremios funcionales especializados, con Actinobacteria implicadas en la solubilización del fósforo inorgánico. Además, se destacó el papel de las arqueas, que albergan genes de metabolismo fosfatado y cuya relevancia ha sido subestimada. La enzima phoX, identificada por metaproteómica, se propone como biomarcador en agroecosistemas.

Respecto al ciclo del nitrógeno, se confirmó la especialización funcional de familias como Nitrososphaeraceae (nitrificación) y Propionibacteriaceae (desnitrificación), así como la relevancia de GlnA como enzima clave en la asimilación de N.

Para el ciclo del carbono, se identificaron gremios bacterianos especializados en la degradación de quitina, celulosa y β-glucanos, desafiando la idea tradicional del predominio fúngico. Aunque Proteobacteria fueron taxonómicamente dominantes, no lo fueron a nivel funcional, resaltando la importancia de adoptar una perspectiva funcional.

A nivel metodológico, esta tesis demuestra el valor de integrar datos multi-ómicos y algoritmos de aprendizaje automático para predecir respuestas funcionales microbianas ante distintos escenarios agronómicos. Los hallazgos abren vías para el desarrollo de biosensores, biofertilizantes y herramientas de diagnóstico funcional aplicables a la agricultura sostenible.

This PhD thesis explores soil microbial ecology with a focus on the biogeochemical cycles of phosphorus (P), nitrogen (N), and carbon (C) in agricultural and natural soils. Using meta-omics approaches — including metagenomics, metaproteomics, metatranscriptomics, and metagenome-assembled genomes (MAGs) — the work analyzes the functional and taxonomic structure of soil microbiomes, their ecological specialization, and responses to environmental factors such as fertilization, crop phenology, and organic matter decomposition.

The specific objectives were: (i) to evaluate the effect of fertilization on key phosphorus (chapter 1) and nitrogen (chapter 2) processes using metagenomics and metaproteomics; and (ii) to investigate the microbial decomposition of plant and fungal biopolymers in forest soils (chapter 3) using metagenomics, metatranscriptomics, and MAGs.

Results show that crop phenology is a dominant driver of gene expression in nitrogen and phosphorus cycling, surpassing the effect of fertilization. Nitrification and denitrification processes are modulated by plant development, suggesting that fertilization strategies should be synchronized with phenological stages. Fertilization also influences microbial function — for example, enhancing DNRA or stimulating specific metabolic routes — but organic amendments require careful management to align nutrient release with crop demand.

In the phosphorus cycle, functional guilds were identified, including Actinobacteria involved in inorganic phosphorus solubilization. Archaea were found to possess phosphorus metabolism genes, highlighting an overlooked but important role. The enzyme phoX, abundantly expressed in maize agroecosystems, is proposed as a biomarker for phosphorus availability.

In the nitrogen cycle, taxonomic and functional specialization was confirmed, including Nitrososphaeraceae (nitrification) and Propionibacteriaceae (denitrification). Glutamine synthetase (GlnA) was identified as a key enzyme in nitrogen assimilation.

In the carbon cycle, the thesis challenges the classical fungal dominance paradigm by identifying bacterial guilds specialized in chitin, cellulose, and β-glucan degradation. Although Proteobacteria were taxonomically dominant, they were not the most functionally active, underscoring the importance of a functional perspective.

Methodologically, the thesis highlights the potential of combining meta-omics data with machine learning algorithms to predict microbial functional responses to different management practices. The findings support the development of biosensors, biofertilizers, and functional diagnostics for sustainable agriculture.