Published August 25, 2021 | Version v1
Publication

Proteorhodopsin Phototrophy in Antarctic Coastal Waters

  • 1. Pontificia Universidad Católica de Chile
  • 2. University of Concepción
  • 3. Center for Climate and Resilience Research
  • 4. Universidad de Especialidades Espíritu Santo
  • 5. Max Planck Institute for Marine Microbiology
  • 6. Centro Nacional de Biotecnología

Description

Microbial proton-pumping rhodopsins are considered the simplest strategy among phototrophs to conserve energy from light. Proteorhodopsins are the most studied rhodopsins thus far because of their ubiquitous presence in the ocean, except in Antarctica, where they remain understudied. We analyzed proteorhodopsin abundance and transcriptional activity in the Western Antarctic coastal seawaters. Combining quantitative PCR (qPCR) and metagenomics, the relative abundance of proteorhodopsin-bearing bacteria accounted on average for 17, 3.5, and 29.7% of the bacterial community in Chile Bay (South Shetland Islands) during 2014, 2016, and 2017 summer-autumn, respectively. The abundance of proteorhodopsin-bearing bacteria changed in relation to environmental conditions such as chlorophyll a and temperature. Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, and Flavobacteriia were the main bacteria that transcribed the proteorhodopsin gene during day and night. Although green light-absorbing proteorhodopsin genes were more abundant than blue-absorbing ones, the latter were transcribed more intensely, resulting in >50% of the proteorhodopsin transcripts during the day and night. Flavobacteriia were the most abundant proteorhodopsin-bearing bacteria in the metagenomes; however, Alphaproteobacteria and Gammaproteobacteria were more represented in the metatranscriptomes, with qPCR quantification suggesting the dominance of the active SAR11 clade. Our results show that proteorhodopsin-bearing bacteria are prevalent in Antarctic coastal waters in late austral summer and early autumn, and their ecological relevance needs to be elucidated to better understand how sunlight energy is used in this marine ecosystem. IMPORTANCE Proteorhodopsin-bearing microorganisms in the Southern Ocean have been overlooked since their discovery in 2000. The present study identify taxonomy and quantify the relative abundance of proteorhodopsin-bearing bacteria and proteorhodopsin gene transcription in the West Antarctic Peninsula's coastal waters. This information is crucial to understand better how sunlight enters this marine environment through alternative ways unrelated to chlorophyll-based strategies. The relative abundance of proteorhodopsin-bearing bacteria seems to be related to environmental parameters (e.g., chlorophyll a, temperature) that change yearly at the coastal water of the West Antarctic Peninsula during the austral late summers and early autumns. Proteorhodopsin-bearing bacteria from Antarctic coastal waters are potentially able to exploit both the green and blue spectrum of sunlight and are a prevalent group during the summer in this polar environment.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعتبر رودوبسينات ضخ البروتون الميكروبية أبسط استراتيجية بين الصور الفوتوغرافية للحفاظ على الطاقة من الضوء. البروتورودوبسينات هي أكثر أنواع الرودوبسين دراسة حتى الآن بسبب وجودها في كل مكان في المحيط، باستثناء القارة القطبية الجنوبية، حيث لا تزال غير مدروسة. قمنا بتحليل وفرة البروتورودوبسين ونشاط النسخ في مياه البحر الساحلية الغربية في أنتاركتيكا. بالجمع بين تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR) وعلم الميتاجينوميات، شكلت الوفرة النسبية للبكتيريا الحاملة للبروتيرودوبسين في المتوسط 17 و 3.5 و 29.7 ٪ من المجتمع البكتيري في خليج تشيلي (جزر جنوب شتلاند) خلال 2014 و 2016 و 2017 صيف- خريف، على التوالي. تغيرت وفرة البكتيريا الحاملة للبروتينورودوبسين فيما يتعلق بالظروف البيئية مثل الكلوروفيل أ ودرجة الحرارة. كانت بكتيريا ألفا بروتوباكتريا، وبكتيريا غامابروتوباكتريا، وبكتيريا فلافوباكتريا هي البكتيريا الرئيسية التي نسخت جين بروتورودوبسين خلال النهار والليل. على الرغم من أن جينات البروتيورودوبسين الممتصة للضوء الأخضر كانت أكثر وفرة من الجينات الممتصة للضوء الأزرق، إلا أن الأخير تم نسخه بشكل أكثر كثافة، مما أدى إلى >50 ٪ من نسخ البروتيورودوبسين خلال النهار والليل. كانت الفلافوبكتيريا هي البكتيريا الحاملة للبروتينورودوبسين الأكثر وفرة في الميتاجينوم ؛ ومع ذلك، كانت البكتيريا ألفا بروتوبكتيريا والبكتيريا غاما بروتوبكتيريا أكثر تمثيلاً في الميتاترانسكريبتوم، حيث يشير القياس الكمي qPCR إلى هيمنة مادة SAR11 النشطة. تظهر نتائجنا أن البكتيريا الحاملة للبروتيرودوبسين سائدة في المياه الساحلية في أنتاركتيكا في أواخر الصيف الأسترالي وأوائل الخريف، ويجب توضيح أهميتها البيئية لفهم كيفية استخدام طاقة أشعة الشمس في هذا النظام البيئي البحري بشكل أفضل. أهمية تم التغاضي عن الكائنات الحية الدقيقة الحاملة للبروتورودوبسين في المحيط الجنوبي منذ اكتشافها في عام 2000. تحدد الدراسة الحالية التصنيف وتحدد الوفرة النسبية للبكتيريا الحاملة للبروتيرودوبسين والنسخ الجيني للبروتيرودوبسين في المياه الساحلية لشبه جزيرة أنتاركتيكا الغربية. هذه المعلومات ضرورية لفهم كيفية دخول ضوء الشمس إلى هذه البيئة البحرية بشكل أفضل من خلال طرق بديلة لا علاقة لها بالاستراتيجيات القائمة على الكلوروفيل. يبدو أن الوفرة النسبية للبكتيريا الحاملة للبروتورودوبسين مرتبطة بالمعلمات البيئية (على سبيل المثال، الكلوروفيل أ، درجة الحرارة) التي تتغير سنويًا في المياه الساحلية لشبه جزيرة غرب أنتاركتيكا خلال أواخر الصيف الأسترالي وأوائل الخريف. من المحتمل أن تكون البكتيريا الحاملة للبروتيرودوبسين من المياه الساحلية في أنتاركتيكا قادرة على استغلال كل من الطيف الأخضر والأزرق لأشعة الشمس وهي مجموعة سائدة خلال فصل الصيف في هذه البيئة القطبية.

Translated Description (French)

Les rhodopsines microbiennes à pompage de protons sont considérées comme la stratégie la plus simple parmi les phototrophes pour conserver l'énergie de la lumière. Les protéorhodopsines sont les rhodopsines les plus étudiées à ce jour en raison de leur présence omniprésente dans l'océan, sauf en Antarctique, où elles restent peu étudiées. Nous avons analysé l'abondance de protéorhodopsine et l'activité transcriptionnelle dans les eaux de mer côtières de l'Antarctique occidental. En combinant la PCR quantitative (qPCR) et la métagénomique, l'abondance relative des bactéries porteuses de protéorhodopsine représentait en moyenne 17, 3,5 et 29,7 % de la communauté bactérienne dans la baie du Chili (îles Shetland du Sud) au cours de 2014, 2016 et 2017 été-automne, respectivement. L'abondance des bactéries porteuses de protéorhodopsine a changé en fonction des conditions environnementales telles que la chlorophylle a et la température. Les alphaprotéobactéries, les Gammaprotéobactéries et les Flavobactéries étaient les principales bactéries qui transcrivaient le gène de la protéorhodopsine jour et nuit. Bien que les gènes de la protéorhodopsine absorbant la lumière verte soient plus abondants que ceux absorbant la lumière bleue, ces derniers ont été transcrits plus intensément, ce qui a entraîné >50% des transcrits de protéorhodopsine pendant la journée et la nuit. Les flavobactéries étaient les bactéries porteuses de protéorhodopsine les plus abondantes dans les métagénomes ; cependant, les alphaprotéobactéries et les gammaprotéobactéries étaient plus représentées dans les métatranscriptomes, la quantification de la qPCR suggérant la dominance du clade SAR11 actif. Nos résultats montrent que les bactéries porteuses de protéorhodopsine sont répandues dans les eaux côtières de l'Antarctique à la fin de l'été austral et au début de l'automne, et leur pertinence écologique doit être élucidée pour mieux comprendre comment l'énergie solaire est utilisée dans cet écosystème marin. IMPORTANCE Les micro-organismes porteurs de protéorhodopsine dans l'océan Austral ont été négligés depuis leur découverte en 2000. La présente étude identifie la taxonomie et quantifie l'abondance relative des bactéries porteuses de protéorhodopsine et de la transcription du gène de la protéorhodopsine dans les eaux côtières de la péninsule de l'Antarctique occidental. Ces informations sont cruciales pour mieux comprendre comment la lumière du soleil pénètre dans cet environnement marin par des moyens alternatifs sans rapport avec les stratégies à base de chlorophylle. L'abondance relative des bactéries porteuses de protéorhodopsine semble être liée aux paramètres environnementaux (par exemple, la chlorophylle a, la température) qui changent chaque année dans les eaux côtières de la péninsule antarctique occidentale à la fin de l'été austral et au début de l'automne. Les bactéries protéorhodopsines des eaux côtières de l'Antarctique sont potentiellement capables d'exploiter à la fois le spectre vert et bleu de la lumière solaire et constituent un groupe prédominant pendant l'été dans cet environnement polaire.

Translated Description (Spanish)

Las rodopsinas microbianas de bombeo de protones se consideran la estrategia más simple entre los fotótrofos para conservar la energía de la luz. Las proteorodopsinas son las rodopsinas más estudiadas hasta ahora debido a su presencia ubicua en el océano, excepto en la Antártida, donde siguen siendo poco estudiadas. Analizamos la abundancia de proteorodopsina y la actividad transcripcional en las aguas marinas costeras de la Antártida Occidental. Combinando PCR cuantitativa (qPCR) y metagenómica, la abundancia relativa de bacterias portadoras de proteorrodopsina representó en promedio el 17, 3,5 y 29,7% de la comunidad bacteriana en la Bahía de Chile (Islas Shetland del Sur) durante el verano-otoño de 2014, 2016 y 2017, respectivamente. La abundancia de bacterias portadoras de proteorrodopsina cambió en relación con las condiciones ambientales, como la clorofila a y la temperatura. Las alfaproteobacterias, gammaproteobacterias y flavobacterias fueron las principales bacterias que transcribieron el gen de la proteorrodopsina durante el día y la noche. Aunque los genes de la proteorrodopsina que absorben la luz verde eran más abundantes que los que absorben el azul, estos últimos se transcribieron con mayor intensidad, lo que resultó en >50% de los transcritos de proteorrodopsina durante el día y la noche. Las flavobacterias fueron las bacterias portadoras de proteorrodopsina más abundantes en los metagenomas; sin embargo, las alfaproteobacterias y las gammaproteobacterias estuvieron más representadas en los metatranscriptomas, y la cuantificación por qPCR sugiere el dominio del clado SAR11 activo. Nuestros resultados muestran que las bacterias portadoras de proteorrodopsina son frecuentes en las aguas costeras antárticas a finales del verano austral y principios del otoño, y su relevancia ecológica debe aclararse para comprender mejor cómo se utiliza la energía solar en este ecosistema marino. Desde su descubrimiento en 2000, se ha pasado por alto la IMPORTANCIA de los microorganismos portadores de proteorodopsina en el Océano Austral. El presente estudio identifica la taxonomía y cuantifica la abundancia relativa de bacterias portadoras de proteorodopsina y la transcripción del gen de la proteorodopsina en las aguas costeras de la Península Antártica Occidental. Esta información es crucial para comprender mejor cómo la luz solar entra en este entorno marino a través de formas alternativas no relacionadas con las estrategias basadas en la clorofila. La abundancia relativa de bacterias portadoras de proteorrodopsina parece estar relacionada con los parámetros ambientales (por ejemplo, clorofila a, temperatura) que cambian anualmente en las aguas costeras de la Península Antártica Occidental durante los veranos australes tardíos y los otoños tempranos. Las bacterias portadoras de meteorodopsina de las aguas costeras antárticas son potencialmente capaces de explotar tanto el espectro verde como el azul de la luz solar y son un grupo frecuente durante el verano en este entorno polar.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التصوير الفوتوغرافي للبروتورهودوبسين في المياه الساحلية لأنتاركتيكا
Translated title (French)
Phototrophie de la protéorhodopsine dans les eaux côtières de l'Antarctique
Translated title (Spanish)
Fototrofia de Proteorhodopsin en aguas costeras antárticas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3195945262
DOI
10.1128/msphere.00525-21

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Ecuador

References

  • https://openalex.org/W1543766055
  • https://openalex.org/W1956297315
  • https://openalex.org/W1965491320
  • https://openalex.org/W1992285600
  • https://openalex.org/W2030498531
  • https://openalex.org/W2034847939
  • https://openalex.org/W2040938148
  • https://openalex.org/W2045204781
  • https://openalex.org/W2047460646
  • https://openalex.org/W2072590703
  • https://openalex.org/W2074902188
  • https://openalex.org/W2075592322
  • https://openalex.org/W2079905572
  • https://openalex.org/W2080809149
  • https://openalex.org/W2084092121
  • https://openalex.org/W2085379151
  • https://openalex.org/W2086675389
  • https://openalex.org/W2089022174
  • https://openalex.org/W2090878061
  • https://openalex.org/W2099834878
  • https://openalex.org/W2104953002
  • https://openalex.org/W2105839968
  • https://openalex.org/W2108588173
  • https://openalex.org/W2110065044
  • https://openalex.org/W2111647009
  • https://openalex.org/W2113601822
  • https://openalex.org/W2115888213
  • https://openalex.org/W2120902911
  • https://openalex.org/W2121180999
  • https://openalex.org/W2124379907
  • https://openalex.org/W2124799197
  • https://openalex.org/W2136426835
  • https://openalex.org/W2137024419
  • https://openalex.org/W2141438119
  • https://openalex.org/W2141561400
  • https://openalex.org/W2143485490
  • https://openalex.org/W2143705407
  • https://openalex.org/W2152280970
  • https://openalex.org/W2156125289
  • https://openalex.org/W2159512638
  • https://openalex.org/W2161163382
  • https://openalex.org/W2164401742
  • https://openalex.org/W2170551349
  • https://openalex.org/W2170747616
  • https://openalex.org/W2171777099
  • https://openalex.org/W2224056471
  • https://openalex.org/W2285694192
  • https://openalex.org/W2320389752
  • https://openalex.org/W2343823768
  • https://openalex.org/W2420110354
  • https://openalex.org/W2520785555
  • https://openalex.org/W2525132236
  • https://openalex.org/W2531278297
  • https://openalex.org/W2548086160
  • https://openalex.org/W2551810175
  • https://openalex.org/W2556530175
  • https://openalex.org/W2557496587
  • https://openalex.org/W2588227349
  • https://openalex.org/W2617590799
  • https://openalex.org/W2751583588
  • https://openalex.org/W2775056555
  • https://openalex.org/W2793041711
  • https://openalex.org/W2795618988
  • https://openalex.org/W2799594703
  • https://openalex.org/W2804505658
  • https://openalex.org/W2806868547
  • https://openalex.org/W2898030476
  • https://openalex.org/W2927961455
  • https://openalex.org/W2946560628
  • https://openalex.org/W2951358594
  • https://openalex.org/W2951464304
  • https://openalex.org/W2966335101
  • https://openalex.org/W2992159474
  • https://openalex.org/W3003880629
  • https://openalex.org/W3005432368
  • https://openalex.org/W3124816098
  • https://openalex.org/W3155699526
  • https://openalex.org/W4249788213
  • https://openalex.org/W4250805947