Oct 13, 2023
Приток атлантических вод и море
The ISME Journal (2023) Цитировать эту статью 1456 обращений 19 деталей альтметрических метрик Северный Ледовитый океан претерпевает беспрецедентные изменения из-за потепления климата, что требует детального анализа
Журнал ISME (2023 г.) Процитировать эту статью
1456 Доступов
19 Альтметрика
Подробности о метриках
Северный Ледовитый океан претерпевает беспрецедентные изменения из-за потепления климата, что требует детального анализа экологии и динамики биологических сообществ, чтобы понять текущие и будущие изменения в экосистемах. Здесь мы создали четырехлетний набор данных ампликонов высокого разрешения вместе с одним годовым циклом метагеномов чтения PacBio HiFi из Восточно-Гренландского течения (EGC) и объединили их с наборами данных, охватывающими различные пространственно-временные масштабы (Тара Арктика и MOSAiC), чтобы оценить влияние притока атлантических вод и морского ледяного покрова на бактериальные сообщества Северного Ледовитого океана. Плотно покрытые льдом полярные воды содержали временно стабильный резидентный микробиом. Приток атлантических вод и сокращение морского ледяного покрова привели к доминированию сезонно колеблющихся популяций, что напоминало процесс «замещения» посредством адвекции, смешивания и экологической сортировки. Мы идентифицировали популяции бактерий, характерные для различных режимов окружающей среды, включая полярную ночь и высокий ледяной покров, и оценили их экологическую роль. Динамика характерных популяций была одинаковой по всей Арктике; например, виды, связанные с плотным ледяным покровом и зимой в EGC, зимой были в изобилии в центральной части Северного Ледовитого океана. Анализ на уровне популяций и сообществ выявил метаболические различия между бактериями, связанными с условиями Арктики и Атлантики; первые имеют повышенный потенциал использования субстратов бактериального и наземного происхождения или неорганических соединений. Наши данные о динамике бактерий в пространственно-временных масштабах дают новое понимание арктической экологии и указывают на прогрессирующую биологическую атлантификацию потепления Северного Ледовитого океана с последствиями для пищевых сетей и биогеохимических циклов.
В Северном Ледовитом океане происходят беспрецедентные изменения в результате потепления климата, которое прогрессирует почти в четыре раза быстрее, чем в среднем по миру [1]. Особое значение имеет быстрое сокращение площади и толщины морского льда [2, 3], причем будущие прогнозы указывают на частое отсутствие ледникового лета к 2050 году [4]. В Евразийской Арктике ускоренные темпы таяния морского льда связаны с увеличением объёма и теплосодержания притекающих атлантических вод (АВ) [5]. Растущее влияние АВ в Северном Ледовитом океане, получившее название атлантификации, не только влияет на гидрографические и физико-химические условия, но и открывает возможности для расширения ареала организмов умеренного пояса [6, 7].
Влияние изменения климата на биологические сообщества в последние десятилетия становится все более очевидным по всему Северному Ледовитому океану. Повышенная первичная продукция в шельфовых морях объясняется сокращением площади морского льда и увеличением биомассы фитопланктона [8], особенно в Евразийской Арктике, где атлантификация способствует распространению фитопланктона умеренного пояса к полюсам [7, 9]. Одновременно с этим меняется и фенология фитопланктона: вторичное осеннее цветение теперь происходит на сезонно покрытых льдом территориях [10]. Это будет иметь серьезные последствия для запасов органического вещества Северного Ледовитого океана. Динамика морского льда играет важную роль в наличии питательных веществ и органических веществ в поверхностных водах и переносе углерода на глубины моря [11,12,13]. На окраинах морского льда сильное таяние приводит к интенсивной стратификации, которая удерживает органический материал в поверхностных водах и задерживает вертикальный экспорт [11].
Учитывая их роль как основных деградаторов органического вещества и медиаторов биогеохимических циклов, оценка последствий таких изменений для бактериальных сообществ имеет важное значение для понимания и прогнозирования изменений в функционировании экосистем. Недавние исследования задокументировали различия в бактериальных сообществах между водами Атлантического и Арктического происхождения [14], а также между морским льдом и морской водой [15]. Кроме того, в инкубационных экспериментах было показано, что растворенное органическое вещество (РОВ), полученное из морского льда, стимулирует быстрые реакции бактериальных таксонов и значительно изменяет сообщества [16, 17]. Однако, чтобы получить более глубокое понимание потенциальных изменений в микробной экологии Северного Ледовитого океана, сообщества необходимо изучать во временных масштабах с высоким разрешением и в естественных градиентах окружающей среды, таких как граница Арктики и Атлантики.
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>
Русский
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어
Дом