Oct 13, 2023
Influxo de água do Atlântico e mar
The ISME Journal (2023)Cite este artigo 1456 Acessos 19 detalhes da Altmetric Metrics O Oceano Ártico está passando por mudanças sem precedentes devido ao aquecimento climático, necessitando de análises detalhadas
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O Oceano Ártico está a passar por mudanças sem precedentes devido ao aquecimento climático, necessitando de análises detalhadas sobre a ecologia e a dinâmica das comunidades biológicas para compreender as mudanças atuais e futuras nos ecossistemas. Aqui, geramos um conjunto de dados de amplicon de alta resolução de quatro anos, juntamente com um ciclo anual de metagenomas de leitura PacBio HiFi da Corrente Leste da Groenlândia (EGC), e combinamos isso com conjuntos de dados abrangendo diferentes escalas espaçotemporais (Tara Arctic e MOSAiC) para avaliar o impacto do influxo de água do Atlântico e da cobertura de gelo marinho nas comunidades bacterianas do Oceano Ártico. Águas polares densamente cobertas de gelo abrigavam um microbioma residente temporalmente estável. O influxo de água do Atlântico e a redução da cobertura de gelo marinho resultaram no domínio de populações flutuantes sazonalmente, assemelhando-se a um processo de “substituição” através de advecção, mistura e classificação ambiental. Identificamos populações de assinaturas bacterianas de regimes ambientais distintos, incluindo noite polar e alta cobertura de gelo, e avaliamos seus papéis ecológicos. A dinâmica das populações de assinatura foi consistente em todo o Ártico; por exemplo, aqueles associados à densa cobertura de gelo e ao inverno no EGC eram abundantes no Oceano Ártico central no inverno. Análises em nível populacional e comunitário revelaram distinções metabólicas entre bactérias afiliadas às condições do Ártico e do Atlântico; o primeiro com maior potencial para usar substratos ou compostos inorgânicos derivados de bactérias e terrestres. Nossas evidências sobre a dinâmica bacteriana em escalas espaço-temporais fornecem novos insights sobre a ecologia do Ártico e indicam uma atlantificação biológica progressiva do aquecimento do Oceano Ártico, com consequências para as teias alimentares e os ciclos biogeoquímicos.
O Oceano Ártico está a passar por mudanças sem precedentes como resultado do aquecimento climático, progredindo quase quatro vezes mais rápido do que a média global [1]. De particular importância é o rápido declínio na extensão e espessura do gelo marinho [2, 3], com projeções futuras indicando verões frequentes sem gelo até 2050 [4]. No Ártico da Eurásia, as taxas aceleradas de declínio do gelo marinho estão associadas ao aumento do volume e do conteúdo de calor da entrada de água do Atlântico (AW) [5]. A crescente influência da AW no Oceano Ártico, denominada Atlantificação, não apenas impacta as condições hidrográficas e físico-químicas, mas também fornece caminhos para a expansão da gama de habitats de organismos temperados [6, 7].
O impacto das alterações climáticas nas comunidades biológicas tornou-se cada vez mais evidente em todo o Oceano Ártico nas últimas décadas. A elevada produção primária nos mares de plataforma tem sido atribuída ao declínio da extensão do gelo marinho e ao aumento da biomassa do fitoplâncton [8], particularmente no Ártico da Eurásia, onde a Atlantificação está a impulsionar uma expansão do fitoplâncton temperado em direção aos pólos [7, 9]. Ao mesmo tempo, as fenologias do fitoplâncton também estão mudando, com flores secundárias outonais ocorrendo agora em áreas sazonalmente cobertas de gelo [10]. Isto terá consequências importantes para o reservatório de matéria orgânica do Oceano Ártico. A dinâmica do gelo marinho desempenha um papel importante na disponibilidade de nutrientes e matéria orgânica nas águas superficiais e no transporte de carbono para o mar profundo [11,12,13]. Nas margens do gelo marinho, fortes eventos de derretimento resultam em estratificação intensa, que retém material orgânico nas águas superficiais e atrasa a exportação vertical [11].
Considerando o seu papel como degradadores primários da matéria orgânica e mediadores dos ciclos biogeoquímicos, avaliar as consequências de tais mudanças para as comunidades bacterianas é essencial para compreender e prever alterações no funcionamento dos ecossistemas. Estudos recentes documentaram distinções em comunidades bacterianas entre águas derivadas do Atlântico e do Ártico [14] e entre gelo marinho e água do mar [15]. Além disso, foi demonstrado que a matéria orgânica dissolvida (DOM) derivada do gelo marinho estimula respostas rápidas de táxons bacterianos e altera significativamente as comunidades em experimentos de incubação [16, 17]. No entanto, para obter uma compreensão mais profunda das potenciais mudanças na ecologia microbiana do Oceano Ártico, as comunidades precisam de ser estudadas em escalas temporais de alta resolução e através de gradientes ambientais naturais, como a interface Ártico-Atlântico.
65% and an e-value of <1˗10. Using Taxonkit v0.10.1 [42], the last common ancestor (LCA) algorithm was performed, resulting in a single taxonomy for each ORF. A secondary LCA was subsequently performed for all ORFs from the same HiFi read, generating a single taxonomy for each read. Functional annotation of HiFi reads was performed using Prokka [43] followed by a series of specialised databases. This included using blastp v2.11.0 [44] or HMMscan (HMMER v3.2.1) [45] against dbCAN v10 [46], CAZy (release 09242021) [47], SulfAtlas v1.3 [48], the Transporter Classification [49], MEROPS [50] and KEGG [51] databases along with sets of Pfam HMM family profiles for SusD and TonB-dependent transporter genes. Functional gene counts were normalised by the average sequencing depth of 16 universal, single-copy ribosomal protein genes per sample [52] – providing “per genome” counts. Genes enriched under high- and low-ice cover conditions were identified using ALDEx2 [53]./p>50% completeness were manually refined using the interactive interface of Anvi’o v7 [57]. A consensus set of refined MAGs with non-redundant contigs was obtained using DASTool v1.1.1 [58]. The consensus MAGs were de-replicated at 99% average nucleotide identity using dRep v3.2.2 [59] (parameters: -comp 50 -con 5 -nc 0.50 -pa 0.85 -sa 0.98), resulting in 47 population-representative MAGs. A phylogenetic tree was reconstructed that also incorporated MAGs recently published from the Fram Strait [22], following a procedure outlined previously [52]. Briefly, 16 single-copy universal ribosomal protein genes were identified in each MAG using HMMsearch against the individual Pfam HMM family profiles and aligned using Muscle v3.8.15 [60]. Alignments were trimmed using TrimAI v1.4.1 [61], concatenated, and submitted to FastTree v2.1.0 [62]. The tree was visualised and annotated in iToL [63]./p>0.2 µm fraction) collected at weekly to fortnightly intervals in the MIZ (2016–2018) and central EGC (core-EGC; 2018−2020) between 70 and 90 m depth (Supplementary Table S1). The two locations were selected in order to capture the full spectrum of water mass and sea-ice conditions. The core-EGC was characterised by year-round dense ice cover (hereon abbreviated as “high ice”) and PW conditions. In contrast, the MIZ featured variable, generally lower ice cover (hereon abbreviated as “low ice”) and periodic AW influx (Fig. 1). To visually portray this variability, animated GIFs were created for current velocities (Supplementary Fig. S1) and sea-ice cover (Supplementary Fig. S2) over the four-year period. Combining the high-resolution data from both mooring locations allowed for the assessment of bacterial community dynamics over time and in relation to Arctic- and Atlantic-dominated conditions./p>90% of samples, (b) Intermittent (Int-ASVs), present in 25–90% of samples, and (c) Transient (Trans-ASVs), present in <25% of samples (Supplementary Table S3). Res-ASVs represented a small fraction of the diversity (231 ASVs) but the largest proportion of the sampled bacterial communities (43–87% relative abundance). In comparison, the 1943 Int-ASVs constituted 12–53% and the 1909 Trans-ASVs 0.4–9.3% of relative abundances. Presence of a dominant resident microbiome, represented by a minority of ASVs, is consistent with multiannual observations in the Western English Channel and Hawaiian Ocean time-series [71, 72]./p> 0.4, p < 0.05) to environmental parameters, the ASVs were grouped into eight distinct clusters (Fig. 4a and Supplementary Table S3), each comprising unique taxonomic signatures (Fig. 4b). The three largest clusters encompassed 88% of the ASVs, and were distinguishable based on their associations to different water mass and ice cover conditions. Clusters C1 and C2 represent AW conditions, with C1 also being associated with low-ice cover. In contrast, cluster C8 represents PW conditions under high-ice cover. In accordance with the distribution dynamics described above, the AW-associated clusters comprised a higher proportion of Int-ASVs, 51–88%, compared to ~50% Res-ASVs in PW-associated clusters. Five smaller clusters (C3–C7) correspond to polar day and night under different ice cover and water mass conditions. Comparing the most prominent ASVs (>1% relative abundance) of each cluster revealed unique taxonomic signatures at the genus level (Fig. 4b). For instance, Amylibacter, SUP05 and AEGEAN-169 are signatures of the AW-associated, low-ice cluster C1, whereas SAR324, NS2b and Magnetospira are signatures of the PW-associated, high-ice cluster C8. Overall, this pattern underlines that water mass and ice cover have the largest influence on microbial community structure, with a smaller number of ASVs being influenced by daylight and seasonality./p> 0.4, p < 0.05./p>80% contained at least one complete rRNA gene operon. MAGs covered a broad phylogenetic diversity, including 35 genera, 27 families and nine classes (Supplementary Fig. S4). For deeper ecological insights, we contextualised ASV dynamics with MAGs to link distribution with metabolic potential. Of the 27 ASVs linked to a MAG through competitive read recruitment (100% identity threshold), 18 were associated with sPLS clusters and thus distinct environmental conditions – these are hereon referred to as “signature populations” (Supplementary Table S5). Signature populations included some of the most abundant ASVs, such as asv6-Polaribacter and asv7-Aurantivirga from cluster C4 (polar day-associated) and asv18-SAR86 from cluster C8 (high-ice, PW-associated)./p>90% of all metagenomes. One of these species did not have a MAG representative in the other Arctic datasets, highlighting that our study contributes novel genomic information towards a better understanding of Arctic Ocean microbial ecology. Furthermore, the dynamics of signature-population MAGs across the Arctic supported their association with distinct environmental conditions. MAGs from cluster C8 (high-ice and PW) and C7 (high-ice and polar night) reached higher relative abundances in mesopelagic depths (TARA) and during polar night (MOSAiC) (Fig. 5c). In contrast, a higher relative abundance of C4 and C6 (polar day) MAGs occurred in surface water collected during summer (TARA)./p>
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