Links between bacterial diversity and carbon cycling in the sea

Abstract

[EN] Although our knowledge about bacterial diversity in marine waters and that about the role of bacteria in the oceanic carbon cycling have greatly advanced in the last decades, very little is known about the linkage between those important characteristics, particularly under in situ conditions. The study of such relationship is hampered by the difficulties in obtaining pure cultures from representative marine bacteria, which would provide information about their metabolic capacities. The recent development of single-cell techniques has allowed studying the activity of marine populations in situ, allowing advances on this topic. We are starting now to know what is the specific role of specific groups of bacteria in carbon cycling, and the relationship between bacterial community assemblage and the global magnitude and patterns of carbon cycling in the ocean. In this study, we assessed the linkage between bacterial diversity and function along two gradients in marine waters: a temporal gradient (a seasonal study in a coastal Mediterranean station), and a spatial gradient covering different trophic states in oceanic waters (from the Cape Blanc upwelling to the N Atlantic subtropical gyre). We first described exhaustively bacterial assemblage structure at both sites, with the simultaneous use of clone libraries, fluorescence in situ hybridization with specific probes and fingerprinting of genes encoding the 16S rRNA. Since both studies were focused on surface bacterial assemblages, Archaea were minor components and we focused on Bacteria. We also exhaustively described the use of carbon by bacteria at both sites, taking special care in identifying and constraining the limitations in the methodologies used for that purpose. Afterwards, we performed comparative studies in which changes in bacterial assemblage structure were systematically compared to changes in a range of in situ measurements of bacterial carbon processing, including bacterial respiration and production, since this type of comparisons in marine field studies are absent from the literature. Several similarities were found between both systems studied, in terms of bacterial community composition, such as the increasing abundances of the Roseobacter group in high-nutrients waters, and the predominance of SAR11 bacteria in less productive waters. However, and with the use of multivariate statistics and Mantel tests, a tight linkage between bacterial diversity and function could not be proved in neither of the gradients. This lack of pattern could be due to several reasons, including the fact that the bulk measurements that describe carbon function (bacterial biomass production or respiration) are so general and important for ecosystem maintenance that they are redundantly performed by different bacterial groups. However, a more specific study using a single-cell level approach (microautoradiography combined to fluorescent in situ hybridization) showed that different bacterial populations had significantly distinct patterns of carbon use along the seasonal study in Blanes Bay, which suggests that different bacterial groups are not equal in terms of carbon utilization. Finally, we studied the effect of a variable environmental factor, such as UV and PAR radiation, as it inhibited or stimulated the different bacterial groups. Environmental conditions were shown to affect differently the activity of specific bacterial groups and, thus, their role in the processing of carbon in the marine planktonic environment

[ES] A pesar del gran avance en nuestro conocimiento sobre la diversidad bacteriana marina y el papel de las bacterias en el ciclo de carbono oceánico, aún se sabe muy poco sobre la relación entre estas dos importantes características en condiciones naturales. El estudio de esta relación se ha visto limitado por la dificultad para obtener cultivos puros de bacterias representativas del medio marino, lo que nos permitiría disponer de información sobre sus capacidades metabólicas. El reciente desarrollo de técnicas de resolución individual ha permitido el estudio de la actividad de poblaciones bacterianas in situ, y recientemente, hemos comenzado a conocer cual es el papel de grupos específicos de bacterias marinas en el ciclo de carbono. En esta tesis, se estudia la relación entre diversidad bacteriana y función a lo largo de dos gradientes en aguas marinas: un gradiente temporal (estudio estacional en una estación costera del Mediterráneo), y un gradiente espacial que cubre diferentes estados tróficos en aguas oceánicas (desde el afloramiento de Cabo Blanco hasta el giro subtropical del Atlántico Norte). Primeramente, se ha descrito exhaustivamente la estructura de la comunidad bacteriana en ambos lugares de muestreo, utilizando simultáneamente diversas técnicas genéticas como bibliotecas génicas, hibridación in situ con sondas fluorescentes y “fingerprint” de genes que codifican el RNA ribosómico 16S. Dado que los estudios se concentran en aguas superficiales, las Archaeas son poco representativas y nos concentramos en las bacterias. También se ha estudiado exhaustivamente el uso bacteriano de carbono a lo largo de ambos gradientes, con especial énfasis en la identificación de las limitaciones en las metodologías utilizadas. Tras estos estudios descriptivos, se llevaron a cabo estudios comparativos en los que los cambios en la estructura de la comunidad bacteriana fueron sistemáticamente comparados a los cambios en las medidas de procesamiento de carbono, incluyendo producción y respiración bacteriana. Este tipo estudios no se habían realizado anteriormente en muestras naturales marinas. Encontramos diversas similitudes entre los dos sistemas estudiados en cuanto a la estructura de la comunidad bacteriana, como el aumento en la proporción de bacterias del grupo Roseobacter en aguas ricas en nutrientes, y la predominancia del grupo SAR11 en aguas menos productivas. Sin embargo, mediante el uso de técnicas estadísticas multivariantes y el test de Mantel, no se pudo probar una fuerte relación entre diversidad y función en ninguno de los gradientes. Esta ausencia de relación podría deberse a varias razones, incluyendo el hecho de que las medidas utilizadas para describir la función en el ciclo de carbono (producción de biomasa bacteriana y respiración) son tan generales y cruciales para el mantenimiento del ecosistema que son llevadas a cabo de forma redundante por los distintos grupos bacterianos. Sin embargo, en un segundo estudio mucho mas específico, se empleó una técnica de resolución individual (microautoradiografía combinada con hibridación in situ con sondas fluorescentes) y se mostró que distintas poblaciones bacterianas llevan a cabo distintos patrones de uso de carbono a lo largo del estudio estacional en la Bahía de Blanes, lo que sugiere que los grupos bacterianos no son equivalentes en la utilización de carbono. Finalmente, estudiamos el efecto de una variable ambiental, la luz ultravioleta y la radiación PAR, y encontramos que inhibía o estimulaba diferencialmente la actividad especifica de varios grupos bacterianos, y por tanto su papel en el procesamiento de carbono en el medio planctónico marino

[CAT] El nostre coneixement sobre la diversitat bacteriana al mar i el del paper que els bacteris tenen en el cicle del carboni han avançat molt en les darreres dècades, tot i això, es coneix ben poca cosa de la relació entre aquests dues conceptes. L’estudi de la relació entre diversitat i funcionament de l’ecosistema es veu limitat per les dificultats d’obtenir cultius purs de bacteris marins representatius, que podrien oferir informació sobre les seves capacitats metabòliques. El desenvolupament recent de tècniques d’anàlisi a nivell individual ha permès l’estudi de l’activitat in situ de les poblacions marines, permetent avenços en aquesta relació diversitatfunció. Comencem a saber quin és el paper específic de grups concrets de bacteris en la circulació de carboni a l’oceà. En aquest treball, hem analitzat la relació entre diversitat bacteriana i funcionament de l’ecosistema al llarg de dos gradients en medi marí: un gradient temporal (estudi estacional en una estació costanera mediterrània), i un gradient espacial que comprèn diferents estats tròfics en aigües oceàniques (prop de l’aflorament de Cap Blanc al gir subtropical de l’Atlàntic Nord). Primer descrivim exhaustivament l’estructura de la comunitat de bacteris als dos llocs, mitjançant l’elaboració simultània de biblioteques de clons, hibridació in situ amb sondes fluorescents i emprentes genètiques dels gens que codifiquen per l’rRNA 16S. Com que tots dos estudis es centren en comunitats bacterianes d’aigües superficials, els Arqueus són poc representatius i ens hem centrat en els bacteris. També hem descrit exhaustivament la utilització de carboni per part dels bacteris als dos indrets, prenent especial cura amb identificar i restringir les limitacions en la metodologia utilitzada per aquestes mesures. Després hem fet estudis comparatius en els quals els canvis en l’estructura de la comunitat bacteriana s’han comparat sistemàticament amb els canvis en un seguit de mesures del processament de carboni per part dels microorganismes, incloent-hi la respiració i la producció bacteriana, car aquesta mena de comparacions són infreqüents a la literatura. Els dos sistemes estudiants comparteixen algunes característiques, com ara les abundàncies creixents de bacteris del grup de Roseobacter en aigües plenes de nutrients, i la predominança de bacteris del grup SAR11 a les aigües menys productives. Tanmateix, i amb la utilització de tècniques estadístiques multivariants i testos de Mantel, no hem pogut provar cap relació estreta entre diversitat bacteriana i funcionament a cap dels dos gradients. Aquesta mancança de relació pot ser deguda a diverses raons, entre elles el fet que les mesures a l’engròs per descriure la funció dels bacteris en el cicle del carboni (producció de biomassa o respiració bacterianes) són tan generals i tan importants per al manteniment de l’ecosistema que són realitzades de forma redundant per diferents grups bacterians. De tota manera, un estudi més concret, utilitzant una aproximació a nivell de cèl·lules individuals (microautoradiografia combinada amb hibridació in situ amb sondes fluorescents) ha mostrat que diferents poblacions bacterianes tenen diferents patrons d’utilització de carboni al llarg de l’estudi estacional de la Badia de Blanes, la qual cosa suggereix que els diferents grups bacterians no utilitzen de la mateixa manera el carboni. Finalment, hem estudiat l’efecte inhibidor o estimulador d’una variable ambiental, la radiació PAR i la UV, sobre els diferents grups bacterians. Hem pogut mostrar com aquestes condicions ambientals afectaven de forma diferent l’activitat dels diferents grups bacterians i, per tant, el seu paper en el processament de carboni en el medi planctònic marí