Ecology of hot spring microbial mats: Diversity, microheterogeneity, and biogeography

Abstract

Esta Tesis doctoral comprenden una revisión de las poblaciones termófilas que habitan en algunos Hot Spots de diversidad de América, como lo son el bosque lluvioso Valdiviano en la Patagonia, o los Bosques Nubosos de Costa Rica. También se incluyen ecosistemas extremos como el desierto de Atacama y la Isla Decepción en la Antártica. En este trabajo de tesis se caracterizó la estructura de las comunidades bacterianas en tapetes microbianos de varias termas terrestres diferentes mediante métodos de ecología molecular microbiana, y se midió la relación de los cambios de diversidad con respecto a la temperatura a diferentes escalas espaciales. El filo Cyanobacteria fue identificado como uno de los mayores componentes de la comunidad bacteriana, del que no se observaron diferencias sustanciales entre muestras obtenidas en invierno y verano. Se detectó una similitud significativa entre las termas que comparten ambientes semejantes a su alrededor. A pequeña escala (cm), se determinó que también miembros del filo Chloroflexi dominaban en ciertas zonas del tapete, y se observó una diferenciación por temperatura entre Chloroflexi y Cyanobacterias. En este sentido, se detectaron cambios significativos de diversidad entre muestras en un mismo tapete microbiano, y al mismo tiempo, se detectó una alta similitud en la estructura de las comunidades dentro de algunos “parches” en los tapetes. Posteriormente se detectó la presencia de varios grupos heterotróficos como Bacteroidetes; Thermales; y Proteobacteria, entre otros menos abundantes. No se detectó una relación entre riqueza bacteriana y latitud, ya que las muestras más cercanas a la línea del Ecuador no mostraron mayor diversidad o riqueza que las más cercanas al Polo Sur. La temperatura exhibió una relación negativa significativa con respecto a la riqueza bacteriana independientemente de la latitud geográfica. Finalmente, las muestras dentro de una escala local, regional y global (hasta 1000 m2) mostraron una disminución significativa de la diversidad a medida que la distancia geográfica y la temperatura se incrementaban. A nivel continental, estas relaciones no fueron significativas.

The results presented in this PhD thesis include a description on the thermophilic populations thriving in biodiversity hot spots such as the Valdivian Rain Forest in Patagonia, and Cloud Forests in Costa Rica, as well as the Atacama Desert and Deception Island in the South Shetland Archipelago in Antarctica. The bacterial community structure of several hot spring microbial mats was characterized by means of molecular microbial ecology methods, and the relationship between diversity and temperature was measured at different spatial scales. Phylum Cyanobacteria was identified as the major component of the microbial community by at least three different sequencing methods with different taxonomic resolution, and a deeper diversity analysis on this group showed no substantial differences between samples taken in winter and summer, although significant similarities were observed among hot springs with common surrounding environments. The horizontal microheterogeneity of microbial mats at a centímeter scale also revealed Chloroflexi as dominant phylum together with Cyanobacteria, and a temperature differentiation was observed between both potential primary producers. Significant diversity shifts were detected among closely situates samples in single mats, but at the same time, samples within mat patches showed a high community structure similarity. A deeper characterization of the bacterial community structure revealed the presence of several heterotrophic groups such as Cytophagia and Sphingobacteria; Thermales; and Alpha, Beta, and Gammaproteobacteria; among others. When compared with other thermophilic microbial mats along a latitudinal gradient, no relationship was detected between richness and latitude, as samples closer to the equator were not more diverse or harbored more richness than samples closer to the pole. Temperature, on the other hand, influenced significantly the bacterial richness. Finally, samples at local, regional and global scales (up to 1000 m2) showed a decrease in similitude as geographic distance, but not at the continental scale.