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Understanding selectivity on the prokaryotic microbiome in Larger Benthic Foraminifera
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Abstract(s)
As interações simbióticas entre microrganismos, tanto procariontes quanto eucariontes, desempenharam um papel significativo na formação do curso da evolução da vida na Terra. Essas relações levaram a estratégias ecológicas engenhosas com impactos de longo alcance nos ecossistemas, como os recifes de coral. Nos recifes de coral, as associações simbióticas são cruciais para manter a saúde geral do recife, com microrganismos estabelecendo conexões próximas com vários organismos, facilitando a troca de compostos e desempenhando papéis essenciais no ciclo de nutrientes.
Um organismo que desempenha um papel fundamental nos ecossistemas de recifes, mas muitas vezes é negligenciado, é o Foraminífero Bêntico Maior (FBM). Os FBM são protistas unicelulares encontrados em ecossistemas costeiros tropicais. Eles contribuem significativamente para o equilíbrio de carbonato do recife através da calcificação, influenciando a estrutura do recife, os sedimentos e o equilíbrio químico. Os FBM demonstraram sensibilidade às condições ambientais, tornando-os indicadores potenciais da condição dos recifes de coral. Eles dependem de relacionamentos simbióticos para crescimento e calcificação, o que tem despertado um interesse crescente no estudo da dinâmica de seu microbioma. Além de seu simbionte eucarionte, é sabido que os FBM também abrigam comunidades procarióticas, embora sua contribuição para o sucesso dos FBM seja muito pouco estudada. Por um lado, uma parceria de longo prazo com procarióticos específicos do hospedeiro sugere a presença de forças ecológicas e evolutivas significativas que promovem e sustentam essas associações. Por outro lado, uma variabilidade no microbioma tem sido proposta como vantajosa, especialmente em resposta a condições em mudança.
Considerando a importância dos Foraminíferos Bênticos Maiores (FBM) na manutenção e preservação dos ecossistemas de recifes, torna-se urgente compreender seu sistema holobionte procariótico. Este estudo tem como objetivo i) comparar o microbioma procariótico dos FBM com os microbiomas da água do mar e do substrato, ii) identificar um potencial microbioma procariótico central específico da espécie e iii) estudar a influência do local na composição do microbioma procariótico. O estudo concentrou-se nos Foraminíferos Bênticos Maiores (FBM), que são protistas marinhos unicelulares encontrados em águas rasas tropicais e subtropicais. O Arquipélago de Spermonde abriga esses organismos, habitando principalmente substratos como destroços de coral revestidos de algas coralináceas crostosas e áreas arenosas. O Arquipélago de Spermonde, situado próximo a Sulawesi, Indonésia, no coração do Triângulo de Coral. Este arquipélago é composto por aproximadamente 120 ilhas e bancos de recifes, localizados em uma ampla plataforma de carbonato que se estende por 40 km e atinge profundidades de até 60 metros. A área de estudo tem um clima de monção, com uma estação seca de maio a outubro, caracterizada por ventos do sudeste que desencadeiam a ressurgência, e uma estação chuvosa de novembro a abril, marcada pelo aumento da hidrodinâmica e pelas entradas de água doce dos rios, levando a uma redução na salinidade e aumento da turbidez. Tempestades sazonais e ondulações contribuem para a disponibilidade de substrato para colonização de foraminíferos e moldam as condições físico-químicas.
A coleta foi realizada em agosto de 2022 em três locais de duas ilhas habitadas, Badi e Padjenekang, no platô do recife e na encosta do recife. Amostras de água do mar foram coletadas perto do substrato, filtradas e armazenadas para extração de DNA. Amostras de substrato foram coletadas e examinadas sob um microscópio para remover os FBM visíveis, com foco no estudo do microbioma do próprio substrato. A coleta de foraminíferos envolveu a coleta de espécimes do substrato, destroços de coral ou algas. Esses espécimes foram limpos para eliminar microorganismos externos e matéria orgânica, armazenados e posteriormente submetidos à extração de DNA. Foram escolhidas cinco espécies-alvo de foraminíferos para análise com base em características específicas, incluindo a presença de diatomáceas e testes lisos. Essas espécies incluíram Amphistegina radiata, A. lessonii, A. lobifera, Calcarina spengleri, Heterostegina depressa e Neorotalia calcar.
A extração de DNA foi realizada usando diferentes kits e protocolos para amostras de água do mar, substrato e foraminíferos, e controles negativos foram usados para validação. As regiões variáveis-alvo V4-V5 do gene 16S rRNA foram amplificadas usando os iniciadores 515F-Y e 926R. As Variantes de Sequência Exatas (ESVs) foram sequenciadas usando Novaseq. Essas amplificações foram realizadas por meio de uma reação em cadeia da polimerase (PCR) de duas etapas, primeiro para amplificar a região-alvo 16S e depois para marcar o DNA usando índices duplos exclusivos de 10 pb (UDI) da IDT. Para análise de dados, o estudo utilizou o software R, dependendo principalmente de pacotes como phyloseq e microbiome. Pacotes específicos de análise estatística e visualização foram empregados conforme necessário.
A comparação do microbioma procariótico dos FBM com o do ambiente circundante, incluindo água e substrato, revela insights emocionantes sobre a especificidade e singularidade dessas comunidades microbianas. Contrariamente ao esperado, o microbioma dos FBM é notavelmente distinto tanto da água do mar quanto do substrato. Essa diferenciação é marcada pela compartilhamento muito baixo de ESVs procarióticos dentro dos FBM com seu ambiente, mas também pela ausência de um microbioma central compartilhado entre os FBM em contraste com um microbioma central amplo tanto na água do mar quanto no substrato.
O substrato, onde os FBM residem e se alimentam, era esperado ter uma sobreposição mais substancial na composição microbiana com os FBM. No entanto, a composição distinta do substrato, caracterizada por uma riqueza relativamente baixa de espécies microbianas, mostrou o contrário. Essas descobertas desafiam a noção de uma transferência direta de microrganismos entre os FBM e seu ambiente imediato, enfatizando a complexidade das interações microbianas dos FBM.
Em contraste, a água do mar se destaca como o compartimento mais diverso, abrigando um microbioma central rico e diversificado compartilhado entre ilhas e áreas de recifes. Esse fenômeno pode ser atribuído à alta conectividade do fluxo de água nos ecossistemas de recifes, facilitando o transporte de matéria orgânica e inorgânica, bem como de microrganismos, entre diferentes áreas.
A especificidade de espécie do microbioma procariótico dos FBM é uma descoberta central deste estudo. Cada espécie de FBM hospeda um microbioma procariótico único, sugerindo que as associações microbianas estão intrinsecamente ligadas à identidade da espécie hospedeira. Essa observação está em consonância com pesquisas anteriores que consistentemente identificaram microbiomas distintos dentro das espécies de FBM. Essas descobertas indicam uma preferência seletiva por espécies microbianas específicas pelos FBM, reforçando ainda mais a noção de uma relação simbiótica.
Curiosamente, apesar do microbioma central específico da espécie, há flexibilidade dentro do microbioma central que varia em diferentes áreas do recife. Essa adaptabilidade sugere a capacidade dos FBM de ajustar suas comunidades microbianas em resposta às condições ambientais em mudança. Essa flexibilidade pode conferir uma vantagem adaptativa, auxiliando no sucesso de colonização dos FBM em vários ecossistemas marinhos ao longo da história geológica. No entanto, uma investigação genética e fisiológica mais aprofundada é necessária para confirmar definitivamente a existência de simbiose entre os FBM e seu microbioma procariótico.
A influência da ilha e da área de recife na composição do microbioma procariótico dos FBM não pode ser subestimada. Variações na composição do substrato entre diferentes ilhas contribuem significativamente para as diferenças nas comunidades microbianas. Os substratos distintos de cada ilha, seja dominado por algas ou areia, desempenham um papel fundamental na formação da diversidade e composição microbiana dentro dos FBM.
Além disso, fatores terrestres, como a presença humana, podem ter um impacto profundo na qualidade da água, o que, por sua vez, afeta a comunidade bacteriana. A baixa qualidade da água, combinada com uma alta entrada de matéria orgânica, tem sido associada a uma maior abundância de classes microbianas específicas, como Gammaproteobacteria, Bacilli e Bacteroidia, que são abundantes no microbioma procariótico dos FBM de uma das ilhas.
Dentro das áreas de recife, são evidentes dissimilaridades nas comunidades microbianas. Embora o compartilhamento de espécies microbianas entre áreas seja limitado, é observado um maior grau de compartilhamento entre espécies de FBM que habitam a mesma área de recife. Variações de profundidade também exercem influência, com espécies de FBM amostradas em diferentes profundidades na mesma área exibindo diferenças em seu microbioma procariótico. A heterogeneidade inerente dos ecossistemas de recifes, onde cada habitat possui suas próprias condições ambientais únicas, desempenha um papel crucial na formação do microbioma procariótico dos FBM. Em conclusão, este estudo fornece informações valiosas sobre as dinâmicas intrincadas dos microbiomas procarióticos dentro dos Foraminíferos Bênticos Maiores e sua profunda influência nos ecossistemas de recifes. A natureza específica da espécie e dependente do local desses microbiomas procarióticos, distintos do ambiente circundante, destaca a complexidade das interações microbianas dentro dos FBM. A presença de ESVs específicas em indivíduos da mesma espécie sugere a existência de uma relação simbiótica, embora pesquisas adicionais sejam necessárias para uma confirmação definitiva. O impacto da ilha, da área de recife e da composição do substrato nas comunidades microbianas destaca a sensibilidade dos microbiomas dos FBM aos fatores ambientais. Essa sensibilidade pode potencialmente contribuir para a adaptabilidade e o sucesso de colonização dos FBM em diversos ecossistemas marinhos. Essas descobertas aprofundam nossa compreensão da simbiose nos ecossistemas de recifes, enfatizando a necessidade de pesquisa contínua para desvendar as complexidades desses habitats marinhos vitais.
Symbiotic interactions between microorganisms have played a pivotal role in shaping Earth's evolutionary trajectory. Coral reefs, characterized by intricate ecological strategies, are prime examples of the profound influence of these symbiotic relationships on ecosystems. Among the organisms central to coral reef health are the Larger Benthic Foraminifera (LBFs), single-celled protists found in tropical coastal ecosystems, significantly contribute to reef carbonate balance. Although there is an understanding of their eukaryotic microbiome, their prokaryotic microbiomes remain vastly understudied. This study explores the prokaryotic microbiomes of LBFs by i) comparing the LBF prokaryotic microbiome to seawater and substrate microbiomes, ii) identifying a potential species-specific core prokaryotic microbiome, and iii) studying the influence of the site on the prokaryotic microbiome composition. Sampling encompassed LBFs, seawater, and substrate at the Spermonde Archipelago in Indonesia. The target variable regions V4-V5 of the 16S rRNA gene were amplified and the Exact Sequence Variants (ESVs) were sequenced using Novaseq. The results show a big divergence between LBFs' microbiomes and those of their surrounding environment, seawater, and substrate. The species-specificity of LBFs' prokaryotic microbiome was evident, with each LBF having one or two very abundant ESVs and in some cases having a core microbiome. This selectivity suggests a symbiotic relationship between LBFs and specific microbial species, contributing to their adaptability and colonization success across diverse marine environments. The island and reef area exerted substantial influence on microbiome composition. Dissimilarities in microbial communities were observed among reef areas, with LBFs species within the same area exhibiting greater similarity. Depth variations further emphasized the role of environmental heterogeneity in shaping LBFs' prokaryotic microbiome. The ability to have a flexible prokaryotic microbiome have been proposed as advantageous, particularly in response to changing conditions. These findings deepen our understanding of the symbiosis in reef ecosystems, emphasizing the need for continued research to understand the intricacies biotic relationships in reefs.
Symbiotic interactions between microorganisms have played a pivotal role in shaping Earth's evolutionary trajectory. Coral reefs, characterized by intricate ecological strategies, are prime examples of the profound influence of these symbiotic relationships on ecosystems. Among the organisms central to coral reef health are the Larger Benthic Foraminifera (LBFs), single-celled protists found in tropical coastal ecosystems, significantly contribute to reef carbonate balance. Although there is an understanding of their eukaryotic microbiome, their prokaryotic microbiomes remain vastly understudied. This study explores the prokaryotic microbiomes of LBFs by i) comparing the LBF prokaryotic microbiome to seawater and substrate microbiomes, ii) identifying a potential species-specific core prokaryotic microbiome, and iii) studying the influence of the site on the prokaryotic microbiome composition. Sampling encompassed LBFs, seawater, and substrate at the Spermonde Archipelago in Indonesia. The target variable regions V4-V5 of the 16S rRNA gene were amplified and the Exact Sequence Variants (ESVs) were sequenced using Novaseq. The results show a big divergence between LBFs' microbiomes and those of their surrounding environment, seawater, and substrate. The species-specificity of LBFs' prokaryotic microbiome was evident, with each LBF having one or two very abundant ESVs and in some cases having a core microbiome. This selectivity suggests a symbiotic relationship between LBFs and specific microbial species, contributing to their adaptability and colonization success across diverse marine environments. The island and reef area exerted substantial influence on microbiome composition. Dissimilarities in microbial communities were observed among reef areas, with LBFs species within the same area exhibiting greater similarity. Depth variations further emphasized the role of environmental heterogeneity in shaping LBFs' prokaryotic microbiome. The ability to have a flexible prokaryotic microbiome have been proposed as advantageous, particularly in response to changing conditions. These findings deepen our understanding of the symbiosis in reef ecosystems, emphasizing the need for continued research to understand the intricacies biotic relationships in reefs.
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Keywords
Foraminíferos bentónicos maiores Microbioma procariótico Amphistegina Calcarina Heterostegina Neorotalia