Effects of temperature on carbon and nitrogen metabolisms of porcelana microbial mat community : rates, strategies and gene expression
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Date
2016
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Abstract
Los tapetes microbianos asociados a sistemas termales se caracterizan por ser
ecosistemas dinámicos y complejos, exhibiendo heterogeneidad espacial y temporal. Estos
sistemas han sido estudiados por décadas ya que representan modelos de estudio ideales
para entender los principios de la ecología microbiana.
La comunidad del tapete microbiano en el gradiente de temperatura (66, 58 y 48°C)
del sistema termal no ácido de Porcelana (Patagonia Norte de Chile), se investigó mediante
aproximaciones integrativas como; secuenciación masiva de ADN/ARN, carbono
(H13CO3) y nitrógeno (15N2,
15NH4Cl y K15NO3) isotópicamente marcado, y ensayos en
cultivos bajo condiciones controladas de laboratorio.
La composición taxonómica del tapete microbiano reveló que los taxones
pertencientes a Chloroflexi y Cianobacteria fueron frecuentes y dominantes (>80% de la
comunidad total) a lo largo del gradiente de temperatura, co-ocurriendo a temperaturas
intermedias, y contribuyendo con los metabolismos activos más representativos tales
como; fotosíntesis, fijación de CO2 y nitrógeno, así como los ciclos de azufre, fósforo y
hierro. En particular, los miembros de Chloroflexi (Roseiflexus sp. y Chloroflexus sp.)
fueron >90% responsables de todos los metabolismos energéticos activos y de nutrientes
encontrados a 66°C, mientras que las Cianobacterias (Mastigocladus sp.) contribuyeron
mayoritariamente a 58°C, con un máximo a temperaturas menores (48°C). Tres vías de
fijación de carbono: Calvin-Benson (usado por miembros de las Cianobacterias), biciclo 3-
Hidroxipropionato (usado por miembros de los Chloroflexi) y ciclo Hidroxipropionatohidroxibutirato (usado por miembros de las Archaeas) fueron representados a lo largo del
gradiente de temperatura en el tapete de Porcelana. Perfiles taxonómicos similares fueron
obtenidos para las rutas del ciclo del nitrógeno, donde las cianobacterias tuvieron un papel
primordial en la incorporación de nitrógeno nuevo en el tapete microbiano.
Dada la gran importancia de las cianobacterias en el tapete microbiano de
Porcelana, la distribución y diversidad de sus miembros diazotróficos se analizó a lo largo
del gradiente de temperatura en un período interanual (2009, 2011-2013). Este estudio
reveló un predominio del género filamentoso con heterocistos Mastigocladus (Orden
Stigonematales), que pertenece a la subsección V, a lo largo de todo el gradiente de
temperatura (69-38ºC). De acuerdo con esto, la actividad in situ de la enzima nitrogenasa,
la captación celular de 15N2, y la expresión del gen nifH, demostraron que la fijación de
nitrógeno es dependiente de luz, detectándose a temperaturas entre los 46 a 58°C pero no a
66ºC. Este patrón de actividad sugiere fuertemente la presencia y actividad de
cianobacterias con heterocistos, revelando una correlación positiva entre la actividad de la
enzima nitrogenasa y la expresión del gen nifH durante ciclos diurnos en el tapete
microbiano. La contribución de la fijación de N y C fue de aproximadamente 3 g de N m-2
año-1
y 27 g C m-2
año-1
, respectivamente, sugiriendo que las demandas de estos
compuestos son alcanzadas completamente por la actividad diazotrófica y autótrofa de las
cianobacterias Stigonematales presentes en el sistema termal de Porcelana.
La cianobacteria Stigonematal cepa CHP1, aislada desde el sistema termal de
Porcelana fue caracterizada morfológica y genéticamente, siendo identificada como
Mastigocladus sp., presentando un carácter moderadamente termófilo (crece a 50°C pero
no a 60°C). Mastigocladus sp. cepa CHP1 fija nitrógeno (actividad nitrogenasa) en
periodos de luz independientemente de la temperatura. El patrón de expresión del gen nifH
mostró fluctuación a 50ºC, mientras que a 45°C la expresión del gen permanecio constante
durante el período de luz/oscuridad, sugiriendo aritmicidad. Una alta afinidad para el
nitrato y una baja tolerancia a altas concentraciones de amonio fueron evidenciadas para la
cepa CHP1, por lo tanto, sugiriéndose cierta plasticidad respecto a la utilización de
diferentes fuentes de nitrógeno para esta cepa.
Se propone que Mastigocladus sp. cepa CHP1, y probablemente otros miembros
cercanos, son relevantes en tapetes microbianos colonizados por estos representantes del
Orden Stigonematal, siendo uno de los principales actores en sistemas termales como
Porcelana contribuyendo a la incorporación de nitrógeno nuevo a través de la fijación
biológica de nitrógeno.
Description
Tesis (Doctor en Ciencias Biológicas, mención Genética Molecular y Microbiología)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2016