Micro-organismos do permafrost como indicadores paleoclimáticos da Antártica

Abstract

O permafrost (solo permanentemente congelado por pelo menos dois anos consecutivos) é um importante componente da criosfera, e apesar de um ambiente extremo (temperaturas abaixo de zero, pouca disponibilidade de água líquida e nutrientes), serve de abrigo para uma diversa e abundante comunidade de micro-organismos. As camadas do permafrost geralmente possuem uma estratificação vertical quanto à idade do congelamento, que pode atingir milhares a milhões de anos. Suas características físico-químicas constituem condições ideais para preservação de material biológico, incluindo moléculas de DNA, que podem ser recuperadas do ambiente, sequenciadas e analisadas uma estratégia de estudo de diversidade denominada metagenômica. Metagenomas conservados no permafrost de diferentes idades de congelamento representam um registro paleoclimático que pode revelar como a comunidade microbiana respondeu a mudanças climáticas no passado. A Península Antártica passou por um evento de aquecimento, conhecido como o Ótimo Climático do Holoceno Médio, entre 4,5 e 2,8 mil anos antes do presente. O presente trabalho avaliou o conteúdo taxonômico e funcional de metagenomas do sedimento marinho moderno e de cinco estratos de permafrost da Península Antártica, correspondentes ao período de 7,5 a 2,25 mil anos atrás. Foram observadas alterações na abundância de diversas categorias metabólicas entre os estratos, demonstrando os impactos do Ótimo Climático do Holoceno Médio para as comunidades microbianas. Os resultados sugerem que o aumento de temperatura deu origem a um ambiente anóxico e rico em matéria orgânica, favorecendo populações copiotróficas e com maior capacidade de ajuste do metabolismo. Os metagenomas correspondentes ao período anterior ao Ótimo Climático apresentaram maior abundância de produtos gênicos relacionados ao metabolismo de lipídios e compostos aromáticos, ácidos nucleicos e transporte de membrana, indicando micro-organismos especializados na manutenção do metabolismo a baixas temperaturas. Estas populações foram substituídas por uma comunidade de metabolismo mais diversificado e generalista nos estratos do período mais quente, representados por uma maior variabilidade de funções metabólicas e abundância de genes relacionados à regulação da transcrição. Estes resultados demonstram que as comunidades microbianas do permafrost podem servir como indicadores de mudanças paleoclimáticas.

Abstract : Permafrost (permanently frozen soil for at least two consecutive years) is an important feature of the cryosphere, and despite being an extreme environment (below-zero temperatures, low liquid water content and nutrient depleted), it hosts an abundant and diverse microbial community. Permafrost shows depth stratification associated with its age, which can reach thousands to millions of years. Its physico-chemical conditions are ideal to maintain biological material preserved, including DNA molecules that can be recovered, sequenced and analyzed directly from the environment a strategy for microbial diversity studies called metagenomics. Metagenomes preserved in permafrost layers from different ages represent a paleoclimate record that can reveal how the microbial community responded to climate events in the past. The Antarctic Peninsula underwent a warming event known as the mid-Holocene Climate Optimum, between 4.5 and 2.8 thousand years before present. This work has evaluated the taxonomic and functional content of metagenomes of modern marine sediment and five permafrost layers of the Antarctic Peninsula, corresponding to the period from 7.5 to 2.25 thousand years ago. Changes were observed in the abundance of several metabolic categories between layers, showing the impacts of this mid-Holocene warmth on the microbial communities. Results suggest that the temperature rising has generated an anoxic, organic matter rich environment, favoring copiotrophic populations with increased regulatory capacities. Metagenomes corresponding to the prior period showed greater abundances of gene products related to the metabolism of lipids and aromatic compounds, nucleic acids and membrane transport, suggesting a microbial community specialized in maintaining growth and metabolism at low temperatures. These populations were replaced by microorganisms with a more diverse and generalist metabolic structure in the warmer samples, represented by a greater variability in metabolic functions and greater abundance of genes related to transcription regulation. These results have shown that the microbial communities of permafrost ancient layers can be used as proxy for past paleoclimatic changes.