Taxonomic and functional analysis of microbial ice communities from Antarctica

Abstract

A região antártica tem um papel importante nos processos climáticos globais, o continente abriga o maior pedaço de gelo da Terra e possui dezenove vulcões holocênicos conhecidos, sendo que pelo menos nove deles ainda estão ativos. Os vulcões ativos podem dispersar minerais piroclásticos a longas distâncias, transportando nutrientes e microrganismos para o ambiente glacial circundante. Os materiais vulcânicos sedimentados ? chamados tefras ? podem interagir com o gelo das geleiras e produzir um ambiente único para a vida microbiana. Além desse ambiente, entre os extremos, as cavernas de gelo são um dos habitats frios menos investigados em relação à diversidade e papel ecológico dos microbiomas contidos no gelo. Este estudo teve como objetivo descrever a estrutura da comunidade microbiana do gelo da geleira antártica com camadas de tefra e amostras de gelo de uma caverna antártica em termos de sua diversidade taxonômica e funcional. Amostras de gelo da geleira Collins (King George Island) contendo camadas de tefra do vulcão Deception Island e amostras de gelo de uma caverna localizada na mesma geleira foram analisadas por uma abordagem metagenômica completa e pirosequenciamento de 16S rRNA. A análise taxonômica de gelo com tefras revelou uma comunidade altamente diversificada dominada pelos filos Bacteroidetes, Cyanobacteria e Proteobacteria. Os gêneros dominantes foram Chitinophaga (13%), Acidobacterium (8%) e Cyanothece (4%), sendo todos conhecidos por incluir cepas psicrotolerantes e psicrofílicas. A análise da diversidade funcional revelou ciclos biogeoquímicos de carbono, nitrogênio e enxofre quase completos. O metabolismo de carboidratos da comunidade de gelo de tefra usa insumos de carbono orgânico e inorgânico, onde a fotossíntese desempenha um papel importante através da fixação de CO2. Nossos resultados também demonstram um potencial biotecnológico para esta comunidade glacial, com anotações funcionais para degradação de estireno e genes de pigmentos carotenóides. A montagem do metagenoma apresentou gêneros como Dyadobacter, Ferruginibacter e Solitalae descritos anteriormente em ambientes frios com menos de 70% de completude. E ainda o MAG de 92,81% para a cianobactéria Kovacikia, previamente descrita em ambientes tropicais. A análise taxonômica para a caverna de gelo mostrou Actinobacteria, Acidobacteria, Firmicutes e Proteobacteria. Com gêneros psicrófilos predominantes com maior equidade, Chitinophaga (6%), Pseudomonas (6%) e Flavobacterium (5%). Carboidratos tiveram mais leituras para diversidade funcional e apenas poucas leituras para fotossíntese. Quanto ao potencial biotecnológico, o gênero Chitinophaga é um candidato para biocontrole. Uma via catabólica de Fenilacetil-CoA bem formada mostrou uma capacidade também de biodegradação de xenobióticos. Futuros estudos metatranscriptômicos devem revelar ainda mais as estratégias ativas e o potencial biotecnológico dos extremófilos desses ambientes de gelo únicos e comunidades microbianas.

Abstract: The Antarctic region has an important role in global climate processes, the continent is home of the largest single piece of ice on Earth and has nineteen known holocene volcanoes, and at least nine of them are still active. The active volcanoes can disperse pyroclastic minerals at long distances, transporting nutrients and microorganisms to the surrounding glacial environment. The sedimented volcanic materials ? called tephras ? may interact with glacier ice and produce a unique environment for microbial life. In addition to these environments, between the extremes, ice caves are one of the least investigated cold habitats regarding the diversity and ecological role of ice-contained microbiomes. The variability in temperature characterizes the ice caves, ranging from 0°C down to -14°C, absence of light, high humidity, and reduced availability of food resources. This study aimed to describe the microbial community structure of Antarctic glacier ice with tephra layers and ice samples from an antarctic cave in terms of its taxonomic and functional diversity. Ice samples from Collins Glacier (King George Island) containing tephra layers of Deception Island volcano and ice samples from a cave located in this glacier were analyzed by a whole shotgun metagenomic approach and 16S rRNA pyrosequencing. Taxonomic analysis of ice-tephra revealed a highly diverse community dominated by phylum Bacteroidetes, Cyanobacteria and Proteobacteria. The dominant genera were Chitinophaga (13%), Acidobacterium (8%), and Cyanothece (4%), being all of these known to include psychrotolerant and psychrophilic strains. Functional diversity analysis revealed almost complete carbon, nitrogen and sulfur biogeochemical cycles. Carbohydrate metabolism of the ice-tephra community uses both organic and inorganic carbon inputs, where photosynthesis plays an important role through CO2 fixation. Our results also demonstrate a biotechnological potential for this glacial community, with functional annotations for styrene degradation and carotenoid pigment genes. The metagenome assembly presented genera like Dyadobacter, Ferruginibacter and Solitalae described previously in cold environments with less than 70% completeness. And in addition the 92.81% MAG for the cyanobacterium Kovacikia, previously described in tropical environments. Taxonomic analysis for the ice cave showed Actinobacteria, Acidobacteria, Firmicutes and Proteobacteria. With predominant psychrophile genera with more equity, Chitinophaga (6%), Pseudomonas (6%), and Flavobacterium (5%). Carbohydrates had the most reads for functional diversity and only few reads for photosynthesis. As for biotechnological potential, Chitinophaga genera is a candidate for biocontrol. A well formed Phenylacetyl-CoA catabolic pathway showed a capability also for biodegradation of xenobiotics. Future metatranscriptomic studies shall further reveal the active strategies and the biotechnology potential of extremophiles from these unique ice environments and microbial communities.