Factors affecting the distribution, abundance and diversity of uncultured archaeal groups in freshwater sediments

Resumen

Las arqueas son ubicuas en sedimentos de todo el mundo. Pero su baja cultivabilidad hace que la mayoría de estudios se basen en técnicas moleculares centradas en la identificación y el recuento de genes específicos para estos microorganismos. Estudios recientes basados en la metagenómica han revelado que las arqueas disponen de un amplio potencial metabólico y, por tanto, de un repertorio funcional inimaginable hasta hace poco. Aún así, la mayoría de los estudios se han centrado en sedimentos marinos y hay menos información sobre los sedimentos de agua dulce. En esta tesis hemos estudiado en primer lugar la abundancia y la composición de las comunidades de arqueas de sedimentos de agua dulce en sistemas caracterizados por un amplio abanico de variables ambientales (estado trófico, régimen de estratificación y tipología). La mayor parte de estas comunidades estaba formada de arqueas metanógenas aunque, los miembros del filo Bathyarchaeota y la clase Thermoplasmata eran especialmente abundantes en sedimentos de lagos cársticos estratificados. Dentro de los Bathyarchaeota el subgrupo Bathyarchaeota-6 fue el más abundante mientras que algunos linajes de Thermoplasmata, como Terrestrial Miscellaneous Euryarchaeota Group o Methanomassiliicoccales, eran mayoritarios en algunos de los sistemas caracterizados por su origen antropogénico o su poca profundidad. La correlación observada entre la abundancia y diversidad de Bathyarchaeota y Thermoplasmata refuerza la hipótesis de la existencia de alguna clase de vínculo trófico entre estos dos grupos. En segundo lugar, se han estudiado los efectos de la contaminación por metales en la distribución y abundancia de las arqueas en el sedimento de un conjunto de lagos de alta montaña. En estos lagos, se han identificado los mismos grupos de arqueas no cultivadas que se encontraban en los lagos cársticos, embalses y lagunas temporales con la diferencia de la baja concentración de los metanógenos. Aún así, la abundancia de genes específicos para la metanogénesis sugiere que la producción de metano es importante en los sistemas de alta montaña estudiados. Por otro lado, la concentración de metales en el sedimento fue el principal factor que modelaba las comunidades de arquea, siendo el Arsénico y el Estaño los dos metales que mas explicaban las variaciones en abundancia y diversidad entre comunidades. Asimismo, el Plomo se mostró como un importante efector, inversamente relacionado con la presencia de genes para la metanogénesis. Además, la presencia de metales (independientemente de su origen) tuvo un efecto negativo en relación a las abundancias de todos los linajes sedimentarios estudiados, con un efecto tóxico especialmente pronunciado en el caso del Cadmio. En tercer lugar, nos interesó especialmente intentar descifrar que compuestos orgánicos eran capaces de estimular la actividad de los miembros de Bathyarchaeota y Thermoplasmata que habitaban en los sedimentos anóxicos. Así pues, se realizaron experimentos controlados utilizando microcosmos de laboratorio para evaluar el efecto de diferentes fuentes de carbono orgánico (diferentes aminoácidos, compuestoa aromáticos y polisacáridos complejos) sobre la composición y actividad de las arqueas que habitaban el sedimento y biofilm adheridos a hojarasca en descomposición. Todos los compuestos ensayados (L- y D-Arginina, Triptófano, Protocatecuato, acidos húmicos y Pectina) estimularon los miembros de Bathyarchaeota y Thermoplasmata durante los 30 días del experimento. Diferentes subgrupos dentro de los linajes fueron responsables de las diferencias observadas al comparar las comunidades en función de la fracción estudiada (DNA o RNA), del substrato (sedimento/biofilm) o del tiempo de incubación (7 o 30 días). La respuesta a las fuentes de carbono fue diferente pero en función del tipo de comunidad. Las del biofilm mostraron estimulación a corto plazo (7 días de incubación) y especialmente en respuesta a los ácidos húmicos. Las del sedimento, en cambio, mostraron una respuesta mas clara a largo plazo (30 días de incubación) en respuesta a la adición de Triptófano. Además, la fracción activa de algunos taxones mostró variaciones significativas en la microdiversidad a nivel de OTU cuando se comparaban las fuentes de carbono de origen proteico (aminoácidos) y las de origen vegetal o aromático (pectina y ácidos húmicos). Los resultados de este trabajo son clave para entender mejor las preferencias metabólicas de los grupos de arquea mayoritarios en sedimentos de agua dulce como primer paso para resolver su contribución en el reciclaje de carbono orgánico en estos hábitats.