Evaluating soil macrofauna using morphological and DNA approaches along a gradient of farming intensification

Abstract

O conceito de “One Health” destaca as interconexões entre a saúde humana, animal e ambiental, exigindo uma colaboração multidisciplinar para um futuro sustentável. A saúde do solo é uma base crítica dos ecossistemas terrestres, suportando funções essenciais para a vida. A biodiversidade do solo, composta por diversas espécies, desempenha um papel vital nos ciclos de nutrientes, decomposição e manutenção da estrutura do solo. No entanto, as práticas intensivas dos agroecossistemas ameaçam a biodiversidade do solo, enquanto os métodos extensivos e tradicionais promovem a biodiversidade, segurança alimentar, mitigação das mudanças climáticas e serviços ecossistêmicos. A investigação sobre a biodiversidade do solo ainda é limitada em comparação com organismos acima do solo, representando desafios para a conservação. De facto, a biodiversidade do solo compreende uma vasta gama de espécies e é fundamental para as funções do ecossistema, incluindo ciclos de nutrientes, decomposição e manutenção da estrutura do solo. No contexto dos agroecossistemas, as práticas intensivas representam as principais ameaças à biodiversidade do solo, enquanto práticas extensivas e tradicionais, como a agrofloresta, podem promover a biodiversidade, contribuir para a segurança alimentar, a mitigação das mudanças climáticas e serviços ecossistêmicos, tornando-se aliados para um mundo mais seguro e sustentável.Apesar disso, a investigação sobre a biodiversidade do solo ainda é limitada em comparação com os organismos acima do solo, criando desafios para a conservação. Métodos moleculares avançados, como o barcoding e o metabarcoding, oferecem resultados promissores na avaliação mais eficiente da biodiversidade do solo. Este estudo tem como objetivo avaliar e comparar as abordagens de morfotaxonomia, barcoding e metabarcoding para avaliar a diversidade da macrofauna do solo em agroecossistemas com diferentes níveis de intensidade de manejo e explorar a validação dos métodos utilizados.Por meio de uma abordagem integrativa, combinou-se a morfotaxonomia e as técnicas moleculares para avaliar a fauna invertebrada do solo em diferentes agroecossistemas. A análise de 192 amostras revelou um total de 9418 indivíduos de 13 grupos taxonômicos diferentes. Foram identificadas 716 unidades taxonômicas operacionais (OTUs) pertencentes à macrofauna do solo. Os pares de iniciadores, como Folmer, BF3/BR2, foram utilizados para o barcoding e o metabarcoding do DNA, com ambos os métodos recuperando OTUs de espécies de carabídeos com altas porcentagens de similaridade. No entanto, foram observadas discrepâncias entre os dois métodos, indicando possível viés de iniciadores e a necessidade de exploração adicional. O metabarcoding indicou a necessidade de intensificar os esforços de amostragem para revelar a verdadeira biodiversidade dos sistemas, enquanto o barcoding mostrou maior completude da amostragem. O conjunto de dados integrado revelou que níveis mais elevados de biodiversidade em agroecossistemas tradicionais e orgânicos foram encontrados em comparação com pastagens melhoradas.O estudo enfatiza a necessidade de abordagens altamente integrativas para superar as dificuldades inerentes a cada método e melhorar a precisão da identificação de espécies. Análises adicionais devem avaliar o impacto de grupos taxonômicos específicos na dinâmica dos agroecossistemas e avaliar a influência de práticas ambientais e de manejo na riqueza da biodiversidade e na composição das comunidades. Além disso, os efeitos de concentração em comunidades modelo e comparações com estudos semelhantes são essenciais para aprimorar o pipeline de “metabarcoding” e aumentar as referências genéticas. No entanto, os dados coletados têm o potencial para desenvolvimentos adicionais e conclusões mais aprofundadas no futuro. Este estudo lança luz sobre os desafios e oportunidades do uso de abordagens baseadas em métodos moleculares, destacando a importância da integração do conhecimento de morfotaxonomia com dados moleculares para curar bancos de dados existentes e aumentar a confiabilidade. A conservação da biodiversidade requer métodos confiáveis para entender a perda de biodiversidade e identificar áreas em risco. Esta pesquisa demonstra como uma estratégia integrada que utiliza tanto morfotaxonomia quanto técnicas moleculares pode fornecer insights abrangentes sobre a riqueza e a composição das espécies. Métodos moleculares, como barcoding e metabarcoding de DNA, podem oferecer identificação precisa de espécies, especialmente quando a identificação morfológica é difícil ou ambígua. No entanto, existem dificuldades associadas a abordagens moleculares, como viés de iniciadores e discordâncias entre métodos morfológicos e moleculares. Para enfrentar esses desafios, a colaboração entre pesquisadores e especialistas em taxonomia é fundamental para garantir atribuições precisas de espécies e revelar a diversidade oculta.

The concept of One Health underscores the interconnections between human, animal, and environmental health, necessitating multidisciplinary collaboration for a sustainable future. Soil health is a critical foundation of terrestrial ecosystems, supporting essential functions for life. Soil biodiversity, comprising diverse species, plays a vital role in nutrient cycles, decomposition, and soil structure maintenance. However, agroecosystems' intensive practices threaten soil biodiversity, while extensive and traditional methods promote biodiversity, food security, climate change mitigation, and ecosystem services. Research on soil biodiversity remains limited compared to above-ground organisms, posing challenges for conservation. Soil biodiversity comprises a vast array of species and these are vital for ecosystem functions, including nutrient cycles, decomposition, and soil structure maintenance. Regarding agroecosystems, intensive practices are the major threats soil biodiversity is under. While extensive and traditional ones, such as agroforestry, might promote biodiversity, contribute to food security, climate change mitigation, and ecosystem services, thus being an ally towards a more secure and sustainable world. However, research of soil biodiversity remains limited when compared to above ground organisms, creating challenges for conservation. Advanced molecular methods, like barcoding and metabarcoding, offer promising results in assessing soil biodiversity more efficiently. This study aims to evaluate and compare morphotaxonomy, barcoding, and metabarcoding approaches to assess soil macrofauna diversity in agroecosystems with varying management intensity levels and explore the validation of the methods used. Using an integrative approach I have combined morphotaxonomy and molecular techniques to assess soil invertebrate fauna in different agroecosystems. The analysis of 192 samples revealed a total of 9418 individuals from 13 different taxonomic groups. Out of the sequenced samples, 716 operational taxonomic units (OTUs) belonging to soil macrofauna were identified. Primer pairs, such as Folmer, BF3/BR2, were employed for DNA barcoding and metabarcoding, with both methods recovering carabid species level OTUs with high similarity percentages. However, discrepancies between the two methods were observed, indicating potential primer bias and the need for further exploration. However, metabarcoding indicated the necessity of intensifying sampling efforts to reveal the true biodiversity of the systems, while barcoding showed higher sampling completeness. The integrated dataset was congruent in revealing that higher biodiversity levels in traditional and organic agroecosystems was found when compared to improved pastures. The study emphasizes the need for highly integrative approaches to overcome pitfalls inherent in each method and improve species identification accuracy. Further analysis should assess the impact of specific taxonomic groups on agroecosystem dynamics and evaluate the influence of environmental and management practices on biodiversity richness and community composition. Additionally, concentration effects in mock communities and comparisons with similar studies are essential for refining the metabarcoding pipeline and increasing genetic references. However, the data collected has the potential for further development and more in-depth conclusions in the future. This study sheds light on the challenges and opportunities of using molecular-based approaches, highlighting the importance of integrating morphotaxonomy knowledge with molecular data to curate existing databases and enhance reliability. Biodiversity conservation requires reliable methods to understand biodiversity loss and identify areas at risk. This research demonstrates how an integrative strategy utilizing both morphotaxonomy and molecular techniques can provide comprehensive insights into species richness and composition. Molecular methods, such as DNA barcoding and metabarcoding, can offer precise species identification, especially when morphological identification is difficult or ambiguous. However, there are pitfalls associated with molecular approaches, including primer bias and mismatches between morphological and molecular methods. To address these challenges, collaboration between researchers and taxonomy experts is vital to ensure accurate species assignments and reveal hidden diversity.