Investigando a diversidade biológica de quatro lagos na Ilha James Ross (Antártica) com uso de DNA metabarcoding

Abstract

A Antártica é o continente mais austral da Terra, ocupando uma área de cerca de 14 milhões de km². Corresponde a cerca de 10% da superfície do planeta, é a principal reserva de gelo (90%) e água doce (70%) do mundo. É uma das regiões mais inexploradas do planeta, com um conjunto de condições extremas como frio intenso, seca e condições muito oligotróficas. Com o aumento da temperatura global e o derretimento das geleiras, ocorre a liberação de água líquida que pode conter material biológico e propágulos viáveis e criar ambientes propícios para que novos organismos que chegam na Antártica se estabeleçam. A Península Antártica (PA) está localizada ao leste do continente antártico e representa a única área do continente (1%) onde se observam áreas com derretimento completo do gelo durante o verão. A Ilha James Ross está localizada no Mar de Weddell, a nordeste da PA, e nesta ilha está localizada a região de Clearwater Mesa, que possui mais de 60 lagos rasos. Os lagos são ambientes extremófilos e intocados, raros, com águas de temperaturas extremas, muito transparentes, recebendo alta incidência de luz solar e raios UV e com baixa disponibilidade de nutrientes, além de serem importantes reservas biológicas para diversos organismos, com a cobertura de gelo derretendo durante o verão e permitindo a entrada de nutrientes e outros diásporos. O DNA metabarcoding permite a identificação simultânea do DNA de espécies presentes em amostras ambientais (eDNA), como amostras de solo, água ou outras amostras ambientais. O uso dessa ferramenta facilita a logística do estudo da biodiversidade, com menos idas a campo e menor demanda de pesquisadores e taxonomistas que tenham conhecimento de taxonomia específica, visto que a ferramenta se baseia na comparação das sequências obtidas nas amostras com as sequências disponibilizadas nos bancos de dados. O presente trabalho tem como objetivo investigar e caracterizar as comunidades biológicas de quatro lagos da ilha James Ross utilizando a ferramenta de DNA metabarcoding. Para tal, amostras de sedimento dos lagos foram coletadas durante o verão austral 2019/2020 e posteriormente o DNA das amostras foi extraído e sequenciado. Como resultados, obtivemos um total de 393.010 DNA reads, representando 107 táxons diferentes, com distribuição em quatro reinos. O reino Plantae foi o mais representativo, com 78 táxons amostrados, seguido por Chromista, com 19 táxons, Protozoa com oito e Animalia com apenas um. Dos táxons amostrados, 20 são novos registros de ocorrência para o continente Antártico e outros cinco possuíam registros apenas para o gênero. Dentre as novas ocorrências estão seis taxa de plantas com flores, o que pode refletir a ação antrópica no continente Antártico. Análises estatísticas com curva de rarefação, Análise de Agrupamento (Cluster), Análise de Correspondência Destendenciada (DCA) e Escala Multidimensional Não-Métrica (NMDS) foram realizadas a fim de relacionar as características físico-químicas e geológicas dos lagos com a sua composição taxonômica, que se mostrou ser heterogênea.

Abstract: Antarctica is the southernmost continent on Earth, occupying an area of around 14 million km². It corresponds to around 10% of the planet's surface and is the main reserve of ice (90%) and fresh water (70%) in the world. It is one of the most unexplored regions on the planet, with a set of extreme conditions such as intense cold, drought and very oligotrophic conditions. With the increase in global temperature and the melting of glaciers, liquid water is released that can contain biological material and viable propagules and create favorable environments for new organisms that arrive in Antarctica to establish themselves. The Antarctic Peninsula (AP) is located to the east of the Antarctic continent and represents the only area of the continent (1%) where areas with complete ice melt are observed during the summer. James Ross Island is located in the Weddell Sea northeast of PA, and this island is home to the Clearwater Mesa region, which has more than 60 shallow lakes. Lakes are rare, extremophilic and untouched environments, with waters of extreme temperatures, very transparent, receiving a high incidence of sunlight and UV rays and with low availability of nutrients, in addition to being important biological reserves for various organisms, with the ice cover melting during the summer and allowing nutrients and other diaspores to enter. DNA metabarcoding allows for the simultaneous identification of the DNA of species present in environmental samples (eDNA), such as soil, water or other environmental samples. The use of this tool facilitates the logistics of studying biodiversity, with fewer trips to the field and less demand from researchers and taxonomists who have knowledge of specific taxonomy, as the tool is based on comparing sequences obtained from samples with sequences available in databases. The present work aims to investigate and characterize the biological communities of four lakes on James Ross Island using the DNA metabarcoding tool. To this end, sediment samples from the lakes were collected during the austral summer of 2019/2020 and the DNA from the samples was subsequently extracted and sequenced. As a result, we obtained a total of 393,010 DNA reads, representing 107 different taxa, distributed across four kingdoms. The kingdom Plantae was the most representative, with 78 taxa sampled, followed by Chromista, with 19 taxa, Protozoa with eight and Animalia with just one. Of the taxa sampled, 20 are new records of occurrence for the Antarctic continent and another five had records only for the genus. Among the new occurrences are six taxa of flowering plants, which may reflect human action on the Antarctic continent. Statistical analyzes with rarefaction curve, Cluster Analysis (Cluster), Detrended Correspondence Analysis (DCA) and Non-Metric Multidimensional Scaling (NMDS) were carried out in order to relate the physicochemical and geological characteristics of the lakes with their taxonomic composition, which proved to be heterogeneous.