Seasonal dynamics and pesticide impact on gut microbiome in Amynthas gracilis earthworms: A comparative study across agricultural landscapes assessed by 16S rRNA amplicon-based sequencing

Abstract

The use of pesticides in agriculture can affect the biodiversity of soil ecosystems and interfere with the ecological services they provide. The gut microbiome of earthworms serves as a bioindicator for changes in diversity within one of the most representative groups of soil macrofauna. In this study, we defined a gradient of soil and pesticide use regimes within a horticultural area, including conventional management, good agricultural practices, organic production and forest. Earthworms (A. gracilis) from these four conditions were sampled, and their microbiomes were assessed by sequencing the V4 region from the 16S rRNA gene. Comparison of ASVs indicated the presence of 142 bacterial genera among all the samples, with Actinobacteriota, Proteobacteria, Firmicutes and Bacteroidota being dominant phyla. Simpson’s diversity index revealed diminished biodiversity in the gut microbiomes of earthworms from conventionally managed soil, correlating negatively with the presence of the insecticide chlorpyrifos. Furthermore, a seasonal shift in the dominance of bacterial taxa was observed between dry and rainy seasons. These shifts were evident in the gut microbiome of organisms from organically managed and good practices soils but not in the conventional site. Our results demonstrate that earthworm’s gut microbiome serves as a responsive bioindicator for biodiversity changes in agricultural landscapes, suggesting that key features of the microbial community can be altered by pesticide exposure.

El uso de pesticidas en la agricultura puede afectar a la biodiversidad de los ecosistemas del suelo e interferir en los servicios ecológicos que estos proporcionan. La microbiota intestinal de las lombrices de tierra sirve como bioindicador de los cambios en la diversidad dentro de uno de los grupos más representativos de la macrofauna del suelo. En este estudio, definimos un gradiente de regímenes de uso del suelo y de pesticidas dentro de una zona hortícola, incluyendo la gestión convencional, las buenas prácticas agrícolas, la producción ecológica y el bosque. Se tomaron muestras de lombrices (A. gracilis) de estas cuatro condiciones y se evaluaron sus microbiomas mediante la secuenciación de la región V4 del gen 16S rRNA. La comparación de las ASV indicó la presencia de 142 géneros bacterianos en todas las muestras, siendo Actinobacteriota, Proteobacteria, Firmicutes y Bacteroidota los filos dominantes. El índice de diversidad de Simpson reveló una disminución de la biodiversidad en la microbiota intestinal de las lombrices de tierra procedentes de suelos gestionados de forma convencional, lo que se correlaciona negativamente con la presencia del insecticida clorpirifós. Además, se observó un cambio estacional en el predominio de los taxones bacterianos entre la estación seca y la lluviosa. Estos cambios fueron evidentes en la microbiota intestinal de los organismos procedentes de suelos gestionados de forma ecológica y con buenas prácticas, pero no en el sitio convencional. Nuestros resultados demuestran que el microbioma intestinal de las lombrices de tierra sirve como bioindicador sensible a los cambios en la biodiversidad de los paisajes agrícolas, lo que sugiere que las características clave de la comunidad microbiana pueden verse alteradas por la exposición a los plaguicidas.