Dinámica e identidad de bacterias portadoras de proteorodopsina en aguas costeras de Bahía Chile, Antártica

Abstract

La luz es uno de los recursos energéticos más abundantes en la Tierra, por lo que los organismos han desarrollado diversas estrategias para transformar la luz en energía química. A la fecha, se han descrito dos mecanismos moleculares para la captación y uso de la energía proveniente de la luz solar mediante el uso de pigmentos: los sistemas basados en clorofila/bacterioclorofila y las rodopsinas de tipo 1 transportadoras de protones. La primera rodopsina de bacterias se descubrió en una Gammaproteobacteria marina y se le denominó proteorodopsina (PR). La PR es una bomba de protones impulsada por la luz, por lo que las bacterias que utilizan PR son capaces de utilizar tanto compuestos orgánicos como luz, como fuentes de energía. A pesar de que entre el 15 y 70% de las bacterias de aguas marinas superficiales portan un gen cuya anotación funcional es PR (gen PR), la fototrofía mediada por PR aún no es considera en los modelos de flujo de carbono orgánico en los océanos. Desde su descubrimiento, se ha reportado que la abundancia del gen PR y la transcripción de este mismo gen se ve afectada por diversas variables ambientales, siendo la más reportada la disponibilidad de luz y la salinidad. En particular, en los ambientes marinos polares, los ciclos anuales de luz y la presencia de hielo marino estacional, modulan la entrada de luz como recurso energético al ecosistema marino. Además, en estos ambientes se generan gradientes de salinidad debido a los continuos ciclos de congelamiento-descongelamiento del hielo marino y al aporte de agua dulce de los glaciares próximos a las bahías polares. A la fecha, la presencia del gen PR en aguas costeras polares ha sido reportado en el Océano Ártico y Antártico. Sin embargo, la diversidad, abundancia relativa de las bacterias portadoras del gen PR, y la transcripción de este gen, ha sido sólo reportado en el Océano Ártico. A la fecha, en el sistema marino Antártico aún no se ha evaluado de qué manera las variables ambientales como luz y salinidad son capaces de modular la abundancia relativa o actividad transcripcional del gen PR. Bahía Chile puede considerase como una bahía polar modelo en Antártica, donde en este trabajo de tesis se determinó la diversidad de microorganismos que presentan el gen PR. Además, se evaluó si la abundancia y actividad transcripcional del gen PR, se veía afectada por las condiciones de disponibilidad de luz y salinidad durante el periodo estival. Para esto, se utilizó una aproximación metagenómica y metatranscriptómica, así como también la cuantificación absoluta mediante qPCR del gen PR en muestras de ADN de aguas de Bahía Chile en los periodos estivales de los años 2014, 2016 y 2017. Mediante metagenómica se logró identificar la presencia del gen PR durante el año 2014, así como también su identidad taxonómica, estimándose que el 16.7% de los microorganismos en esta bahía presentan este gen. En muestras de aguas de los periodos estivales 2016 y 2017, se determinó mediante amplificación del gen PR en muestras de DNA por qPCR que las variables ambientales de salinidad y luz no afectan su abundancia relativa en la comunidad de bacterias marinas, bajo las condiciones observadas en Bahía Chile para esos años. Sin embargo, a través de metatranscriptómica se logró observar que la actividad transcripcional del gen PR sí se ve afectada por la disponibilidad lumínica (observándose mayor actividad transcricpcional durante el día), así como por la salinidad (observándose mayor actividad transcripcional en escenarios de disminución de salinidad). La descripción de la alta presencia del gen PR en diversos taxones pertenecientes a la comunidad planctónica de Bahía Chile, así como la evidencia de la actividad transcripcional del gen PR en este sistema marino antártico, puede tener un impacto significativo en el diseño de nuevos modelos de flujo de energía para esta región marina. Estos resultados apoyan la necesidad de considerar la fototrofía mediada por PR como una estrategia mediante la cual la energía de la luz ingresa a la biosfera Antártica. Además, en el escenario de cambio climático actual, el derretimiento acelerado de las capas de hielo y la formación de gradientes salinos en esta región, que afectan tanto la disponibilidad de luz como la salinidad de estos sistemas marinos, podría a su vez afectar la fototrofía mediada por PR en el frágil sistema marino antártico.

Sunlight is the most abundant source of energy in the biosphere, so microorganisms have developed an array of different strategies to transform light into chemical energy. To date, two molecular mechanisms have been described for the capture and use of energy from sunlight through the use of pigments: chlorophyll/bacteriochlorophyll-based photosystems and proton-pumping type 1 rhodopsins. The first bacterial rhodopsin was discovered in a marine Gammaproteobacteria and was named proteorhodopsin (PR). PR is a light driven proton pump, so PR-bearing bacteria are able to use both organic compounds and light, as energy sources. Despite the fact that between 15 and 70% of surface seawater bacteria carry a gene whose functional annotation is PR (PR gene), PR-mediated phototrophy is not yet considered in the models of organic carbon flow in the oceans. Since its discovery, it has been reported that the abundance of the PR gene and the transcription of this same gene is affected by several environmental variables, the most reported being the light availability and salinity. In particular, in polar marine environments, the annual light cycles and the presence of seasonal sea ice modulate the entrance of light as an energy resource to the marine ecosystem. In addition, salinity gradients are generated in these environments due to the continuous freeze-thaw cycles of sea ice and the contribution of fresh water from the glaciers near the polar bays. To date, the presence of the PR gene in polar coastal waters has been reported in the Arctic and Antarctic Oceans. However, the diversity, relative abundance of the PR-bearing bacteria, and the transcription of the PRgene, has only been reported in the Arctic Ocean. To date, in the Antarctic marine system, has not yet been studied how environmental variables such as light availability or salinity are able to modulate the relative abundance or transcriptional activity of the PR gene. Chile Bay can be considered as a model polar bay in Antarctica, where in this thesis the diversity of microorganisms that present the PR gene was determined. In addition, it was evaluated whether the abundance and transcriptional activity of the PR gene is affected by the conditions of light availability and salinity during the austral summer period. For this, a metagenomic and metatranscriptomic approach was used, as well as the absolute quantification by qPCR of the PR gene in DNA samples from waters of Chile Bay in the summer periods of 2014, 2016 and 2017. Through metagenomic it was possible to identify the presence of the PR gene during 2014, as well as its taxonomic identity, estimating that 16.7% of the microorganisms in this bay have this gene. In water samples from the 2016 and 2017 summer periods, it was determined by amplification of the PR gene in DNA samples by qPCR that the environmental variables of salinity and light do not affect their relative abundance in the community of marine bacteria, under the conditions observed in Chile Bay for those years. However, through metatranscriptomics it was possible to observe that the transcriptional activity of the PR gene is affected by the light availability (observing higher transcriptional activity during the day), as well as by the salinity (observing higher transcriptional activity in salinity reduction scenarios). The description of the high presence of the PR gene in various taxa belonging to the planktonic community of Chile Bay, as well as the evidence of the transcriptional activity of the PR gene in this Antarctic marine system, can have a significant impact on the design of new energy flow models for this marine region. These results support the need to consider phototrophy mediated PR as a strategy by which light energy enters to the Antarctic biosphere. In addition, in the actual climate change scenario, the accelerated melting of the ice sheets and the formation of saline gradients in this region, which affect both light availability and salinity of these marine systems, could in turn affect the PR-mediated phototrophy in the fragile Antarctic marine system.