Diversity and ecology of microbial communities from shallow lakes from the Pampa plain

Las bacterias son los organismos más abundantes de la Tierra y son los encargados de mediar en una multitud de procesos críticos para el medio ambiente. En los sistemas acuáticos, el bacterioplancton incluye organismos autótrofos y heterótrofos, de amplia distribución cuya producción y biomasa pueden llegar a constituir un alto porcentaje de la producción primaria total del sistema. Dado su rol central en procesos ecológicos básicos del ecosistema resulta de gran importancia conocer sus patrones de distribución, su dinámica poblacional y los factores más relevantes en la determinación de la estructura y el funcionamiento de esta comunidad, aspectos hasta ahora desconocidos para las comunidades bacterianas de las lagunas pampeanas. Los primeros estudios en microbiología acuática se realizaron mediante técnicas de cultivo tradicionales. Luego, la introducción de técnicas provenientes de la biología molecular ha permitido avanzar enormemente en el conocimiento de las comunidades microbiológicas. Estas técnicas han permitido estudiar no sólo la identidad, sino también la actividad y la genómica microbiana. Actualmente existen numerosas especies procariotas descriptas formalmente, sin embargo, aun no existe un consenso en la sistemática bacteriana para definir la unidad biológica fundamental de diversidad. En consecuencia, la mayoría de los trabajos microbiológicos basados en técnicas moleculares adoptan el concepto de “unidad taxonómica operativa” (OTU) para definir los taxones bacterianos de manera pragmática. Dada la heterogeneidad en la resolución genética que las distintas definiciones de OTU imponen, el Capítulo I de esta tesis se centró en el análisis comparativo de dos metodologías de fingerprinting (ARISA y DGGE) cuyos protocolos fueron puestos a punto para poder describir distintos aspectos de la comunidad bacteriana en ambientes someros de la Región Pampeana. La utilización en conjunto de ambas metodologías fue la estrategia para abordar el mismo problema en dos niveles de análisis complementario que permitió evidenciar tanto las características más conspicuas como los detalles de la estructura de la comunidad obteniendo, así, una descripción más acabada de los sistemas. En el Capítulo II se analizó a escala regional el patrón de distribución bacteriano en un set de lagunas representativas de distintos estados alternativos que caracterizan a los sistemas pampeanos. Este análisis se realizó dentro del marco teórico de las Metacomunidades y los resultados indicaron que, de acuerdo a la perspectiva de Species Sorting, el patrón observado sería consecuencia del desacople temporal entre la dinámica poblacional local y la dinámica de colonización- extinción que ocurre a nivel regional. Además, el estado de equilibrio alternativo característico de cada sistema influenciaría de manera fundamental la determinación de la estructura comunitaria mientras que la estacionalidad jugaría un rol secundario. El Capítulo III se focalizó en el estudio de la variación temporal de la biodiversidad en dos sistemas de características limnológicas contrastantes. Estos ambientes resultaron altamente sincrónicos en cuanto a la variación de los parámetros físico-químicos, sin embargo, los cambios temporales de la estructura comunitaria no resultaron concordantes entre los dos sistemas. Para la laguna turbia se observó una estrecha relación entre los cambios de biodiversidad y los parámetros ambientales mientras que para la laguna clara no se detectó una relación entre los descriptores comunitarios y los parámetros ambientales considerados. Estos resultados contrastantes indicarían distinto grado de influencia de los factores climáticos de control que operan a nivel regional sobre la determinación de la dinámica de la comunidad bacteriana en cada uno de los sistemas analizados. Finalmente, en el Capítulo IV se presentan los resultados de un experimento a nivel de mesocosmos cuyo objetivo fue comenzar a desentrañar la importancia de la producción primaria fitoplanctónica en la determinación de la riqueza taxonómica de la comunidad bacteriana y fitoplanctónica en sistemas limitados por luz. Las diferencias en producción primaria se correlacionaron significativamente con la riqueza taxonómica de las dos comunidades analizadas y, en ambos casos, se observó una relación cuadrática entre ambos parámetros. Estas observaciones resultaron congruentes con otras observaciones y modelos teóricos que indican que la relación unimodal sería la más frecuentemente observada en sistemas acuáticos.Bacteria are the most abundant organisms on Earth and they mediate many critical ecosystem processes. In aquatic systems, bacterioplankton community comprises widely distributed autotrophic and heterotrophic organisms and their secondary production and biomass can represent a large fraction of the total primary production of the system. As regards their key role in basic ecosystem processes, understanding their distribution patterns, their population dynamics and the main factors controlling the structure and functioning of the community have become central objectives for aquatic microbial ecology, particularly in the Pampean Region as these aspects remained unknown. Initial studies in aquatic microbiology were carried out by traditional cultivation techniques. Later on, molecular approaches have significantly increased our knowledge about microbiological communities. These techniques have allowed us to study not only the identity but also the activity and the microbial genomics. Currently, a huge number of prokaryotic species have been formally described. However, bacterial systematics has not yet reached a consensus for defining the fundamental unit of biological diversity. Thus, most of the microbiological works adopt the Operational Taxonomic Units (OTU) to define bacterial taxa in a pragmatic way. In relation to the heterogeneity in genetic resolution that different OTU definitions impose, Chapter I of this thesis focused in the comparison of two fingerprinting methods (ARISA and DGGE) which were set up to describe different aspects of bacterial communities from shallow lakes of the Pampa plain. The strategy of addressing the same ecological problem with these two complementary approaches bore witness to conspicuous as well as fine details of the communities’ structure, resulting hence, in a more detailed description of the systems. In Chapter II the regional distribution pattern of bacterial communities was analyzed in a set of shallow lakes that were representative of the different alternative states that characterize pampean shallow lakes. The Metacommunity concept was the theoretical framework applied in this analysis and the results indicated that, according to the Species Sorting perspective, the pattern observed would result from a separation of time scales between local population dynamics and regional colonization- extinction dynamics. Moreover, the alternative equilibrium state that characterized the different shallow lakes seemed to play a major role in structuring the community, while seasonality would be of a lesser importance. Chapter III focused in the temporal variation of biodiversity in two shallow lakes with contrasting limnological features. These systems showed high spatial synchrony regarding their physical-chemical parameters but no evidence of concordance in the temporal variability of the communities was found. The turbid lake evidenced a tight relationship between changes in biodiversity and environmental parameters while no such relationship was found for the clear lake. This differential pattern between both systems over time would indicate a different degree of connection between local communities’ dynamics and extrinsic climatic factors that operate at a regional scale. Finally, in Chapter IV the results from a mesocosm- scale study aimed at investigating the importance of primary productivity in determining bacterial and phytoplanktonic richness in light-limited systems are shown. Differences in productivity correlated significantly with the taxonomic richness of the two communities analyzed and for bacterioplankton as well as for phytoplankton, a quadratic relationship was found between both parameters. These results were consistent with other observations and theoretical models that indicate the hump-shaped curved as the more frequent relationship found in aquatic ecosystem.Fil:Llames, María Eugenia del Rosario. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina