Efeito das mudanças climáticas na sucessão ecológica microbiana de solos expostos por recuo de geleira na Antártica

Abstract

A retração das geleiras da Antártica é um exemplo emblemático dos efeitos das mudanças climáticas. À medida que o gelo derrete, a frente da geleira recua, expondo o solo de moraina à atmosfera. Esse processo cria um gradiente espacial-temporal, conhecido como cronossequência, que é rapidamente colonizado por microrganismos pioneiros da sucessão ecológica. Este trabalho investiga a estrutura de comunidades microbianas no processo de sucessão ecológica em solos recentemente expostos pelo recuo das geleiras na Antártica, utilizando uma abordagem metagenômica para identificar possíveis indicadores de mudanças climáticas. Foram avaliadas amostras de solos de recuo de geleira da Antártica coletadas em duas cronossequências da Geleira Collins, localizada na região da Península Fildes, Ilha Rei George. As amostras correspondem a uma escala de 0 a 50 m de distância em relação à frente da geleira: Geleira Collins face oeste (0, 3, 10 e 50 metros) e Geleira Collins face sudeste (0, 2, 5, 10, 25 e 50 metros). O DNA total do solo foi extraído e a região V3-V4 do gene RNAr 16S foi sequenciado por metabarcoding na plataforma Illumina NovaSeq 6000 para análise taxonômica do metagenoma. Utilizando o pacote indicspecies do R, foram identificados bioindicadores de mudanças climáticas, enquanto métricas de alfa e beta diversidade foram calculadas para avaliar a estrutura das comunidades microbianas. Além disso, foram realizadas análises de correlação entre parâmetros físico-químicos e a estrutura das comunidades microbianas. A análise de 120.541 sequências revelou uma composição taxonômica similar entre as cronossequências ao nível taxonômico de Filo, com dominância dos Filos Pseudomonadota, Actinomycetota e Bacteroidota, além de alguns grupos raros como Verrucomicrobiota, Planctomycetota, Chloroflexota, Myxococcota, Acidobacteriota e Cyanobacteriota. Bactérias da Família Chitinophagaceae foram dominantes nas cronossequências da face oeste (5,41%) e face sudeste (4,69%). A riqueza e a diversidade nas cronossequências aumentaram até 10 metros de distância, e a partir desse ponto os resultados mostraram uma diminuição desses índices na face oeste (50 m) e sudeste (25 m). A análise da estrutura de comunidade agrupou os solos em três sub-grupos: a) solos subglaciais (0 m); b) solos recentemente expostos (3-10 m na face oeste; 2-10 m na face sudeste); c) solos mais antigos (50 m na face oeste; 25-50 m na face sudeste). Essa divisão da comunidade nos primeiros estágios da sucessão foi acompanhada por mudanças na composição de cálcio, fósforo e manganês dos solos subglaciais, e dos valores de pH e composição de matéria orgânica e cobre nos solos recentemente expostos. Espécies bioindicadoras de resposta rápida (solos recentemente expostos) e tardia (solos antigos) foram identificados. A Família Koribacteraceae e a Ordem Chloroflexales foram considerados bioindicadores mais sensíveis às mudanças rápidas do clima, enquanto Nevskiaceae e Fimbriimonadaceae foram elencados como bioindicadores tardios. Em suma, este estudo proporciona uma visão detalhada sobre a dinâmica das comunidades microbianas no solo da Antártica, revelando como o recuo das geleiras influencia a sucessão ecológica e à adaptação microbiana a novas condições ambientais. A identificação de bioindicadores de mudanças climáticas, tanto de resposta rápida quanto tardia, abre novas perspectivas para o monitoramento contínuo dos efeitos das alterações climáticas na Antártica.

Abstract: The retreat of Antarctic glaciers is an emblematic example of the effects of climate change. As the ice melts, the glacier front recedes, exposing moraine soil to the atmosphere. This process creates a spatiotemporal gradient, known as a chronosequence, which is rapidly colonized by pioneering microorganisms of ecological succession. This study investigates the structure of microbial communities in the process of ecological succession in recently exposed soils due to glacier retreat in Antarctica, using a metagenomic approach to identify potential indicators of climate change. Soil samples from glacier retreat in Antarctica were evaluated and collected from two chronosequences of the Collins Glacier, located in the Fildes Peninsula region of King George Island. The samples correspond to a scale of 0 to 50 meters from the glacier front: Collins Glacier west face (0, 3, 10, and 50 meters) and Collins Glacier southeast face (0, 2, 5, 10, 25, and 50 meters). Total soil DNA was extracted, and the V3-V4 region of the 16S rRNA gene was sequenced by metabarcoding on the Illumina NovaSeq 6000 platform for taxonomic analysis of the metagenome. Using the R package indicspecies, climate change bioindicators were identified, while alpha and beta diversity metrics were calculated to assess the structure of microbial communities. Additionally, correlation analyses between physicochemical parameters and the structure of microbial communities were performed. Sequence analysis of 120,541 reads revealed a similar taxonomic composition between the chronosequences at the phylum level, with dominance of the phyla Pseudomonadota, Actinomycetota, and Bacteroidota, along with some rare groups such as Verrucomicrobiota, Planctomycetota, Chloroflexota, Myxococcota, Acidobacteriota, and Cyanobacteriota. Bacteria from the Family Chitinophagaceae were dominant in the west (5.41%) and southeast (4.69%) face chronosequences. Richness and diversity in the chronosequences increased up to 10 meters in the distance, and from that point onward, the results showed a decrease in these indices on the west (50 m) and southeast (25 m) faces. The community structure analysis grouped the soils into three subgroups: a) subglacial soils (0 m); b) recently exposed soils (3-10 m on the west face; 2-10 m on the southeast face); c) older soils (50 m on the west face; 25-50 m on the southeast face). This division of the community in the early stages of succession was accompanied by changes in the composition of calcium, phosphorus, and manganese in subglacial soils, as well as variations in pH, organic matter, and copper composition in recently exposed soils. Bioindicator species of rapid response (recently exposed soils) and late response (older soils) were identified. The Family Koribacteraceae and the Order Chloroflexales were considered more sensitive bioindicators to rapid climate changes, while Nevskiaceae and Fimbriimonadaceae were listed as late-response bioindicators. In summary, this study provides a detailed view of the dynamics of microbial communities in Antarctic soil, revealing how glacier retreat influences ecological succession and microbial adaptation to new environmental conditions. The discovery of both rapid and late response climate change bioindicators opens new perspectives for the continuous monitoring of the effects of climate change in Antarctica.