Published September 6, 2016
| Version v1
Publication
Open
Patterns of Transcript Abundance of Eukaryotic Biogeochemically-Relevant Genes in the Amazon River Plume
Creators
- Brian L. Zielinski1, 2, 3
- Andrew E. Allen4
- Edward J. Carpenter5
-
Victoria J. Coles6
-
Byron C. Crump7
-
Mary K. Doherty8
-
Rachel A. Foster9, 10
-
Joaquim I. Goés11, 12
-
Helga do Rosário Gomes11, 12
- Raleigh R. Hood6
-
John P. McCrow4
-
Joseph P. Montoya13
-
Ahmed Moustafa14
-
Brandon M Satinsky15
- Shalabh Sharma16
-
Christa B. Smith16
-
Patricia L. Yager16
- John H. Paul1, 2, 3
- 1. University of South Florida St. Petersburg
- 2. Florida College
- 3. College of Marin
- 4. J. Craig Venter Institute
- 5. San Francisco State University
- 6. University of Maryland Center for Environmental Science
- 7. Oregon State University
- 8. Rhodes College
- 9. Stockholm University
- 10. University of California, Santa Cruz
- 11. Lamont-Doherty Earth Observatory
- 12. Columbia University
- 13. Georgia Institute of Technology
- 14. American University in Cairo
- 15. Massachusetts Institute of Technology
- 16. University of Georgia
Description
The Amazon River has the largest discharge of all rivers on Earth, and its complex plume system fuels a wide array of biogeochemical processes, across a large area of the western tropical North Atlantic. The plume thus stimulates microbial processes affecting carbon sequestration and nutrient cycles at a global scale. Chromosomal gene expression patterns of the 2.0 to 156 μm size-fraction eukaryotic microbial community were investigated in the Amazon River Plume, generating a robust dataset (more than 100 million mRNA sequences) that depicts the metabolic capabilities and interactions among the eukaryotic microbes. Combining classical oceanographic field measurements with metatranscriptomics yielded characterization of the hydrographic conditions simultaneous with a quantification of transcriptional activity and identity of the community. We highlight the patterns of eukaryotic gene expression for 31 biogeochemically significant gene targets hypothesized to be valuable within forecasting models. An advantage to this targeted approach is that the database of reference sequences used to identify the target genes was selectively constructed and highly curated optimizing taxonomic coverage, throughput, and the accuracy of annotations. A coastal diatom bloom highly expressed nitrate transporters and carbonic anhydrase presumably to support high growth rates and enhance uptake of low levels of dissolved nitrate and CO2. Diatom-diazotroph association (DDA: diatoms with nitrogen fixing symbionts) blooms were common when surface salinity was mesohaline and dissolved nitrate concentrations were below detection, and hence did not show evidence of nitrate utilization, suggesting they relied on ammonium transporters to aquire recently fixed nitrogen. These DDA blooms in the outer plume had rapid turnover of the photosystem D1 protein presumably caused by photodegradation under increased light penetration in clearer waters, and increased expression of silicon transporters as silicon became limiting. Expression of these genes, including carbonic anhydrase and transporters for nitrate and phosphate, were found to reflect the physiological status and biogeochemistry of river plume environments. These relatively stable patterns of eukaryotic transcript abundance occurred over modest spatiotemporal scales, with similarity observed in sample duplicates collected up to 2.45 km in space and 120 minutes in time. These results confirm the use of metatranscriptomics as a valuable tool to understand and predict microbial community function.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يتمتع نهر الأمازون بأكبر تصريف لجميع الأنهار على الأرض، ويغذي نظام الأعمدة المعقدة مجموعة واسعة من العمليات الجيوكيميائية الحيوية، عبر مساحة كبيرة من شمال المحيط الأطلسي الاستوائي الغربي. وبالتالي يحفز العمود العمليات الميكروبية التي تؤثر على عزل الكربون ودورات المغذيات على نطاق عالمي. تم التحقيق في أنماط التعبير الجيني الكروموسومي لمجتمع الميكروبات حقيقية النواة من 2.0 إلى 156 ميكرومتر في عمود نهر الأمازون، مما أدى إلى توليد مجموعة بيانات قوية (أكثر من 100 مليون تسلسل mRNA) تصور القدرات الأيضية والتفاعلات بين الميكروبات حقيقية النواة. أدى الجمع بين قياسات المجال الأوقيانوغرافي الكلاسيكي مع ميتاترانسكريبتوميكس إلى توصيف الظروف الهيدروغرافية بالتزامن مع القياس الكمي لنشاط النسخ وهوية المجتمع. نسلط الضوء على أنماط التعبير الجيني حقيقي النواة لـ 31 هدفًا جينيًا مهمًا من الناحية الجيوكيميائية الحيوية يُفترض أنها ذات قيمة في نماذج التنبؤ. تتمثل ميزة هذا النهج المستهدف في أن قاعدة بيانات التسلسلات المرجعية المستخدمة لتحديد الجينات المستهدفة قد تم إنشاؤها بشكل انتقائي وتم تنسيقها بشكل كبير لتحسين التغطية التصنيفية والإنتاجية ودقة التعليقات التوضيحية. يزهر الدياتوم الساحلي ناقلات النترات عالية التعبير والأنهيدراز الكربوني لدعم معدلات النمو العالية وتعزيز امتصاص المستويات المنخفضة من النترات الذائبة وثاني أكسيد الكربون. كانت أزهار ارتباط الدياتوم- ديازوتروف (DDA: الدياتومات مع متكافلات تثبيت النيتروجين) شائعة عندما كانت الملوحة السطحية متوسطة الملوحة وكانت تركيزات النترات الذائبة أقل من الكشف، وبالتالي لم تظهر أدلة على استخدام النترات، مما يشير إلى أنها اعتمدت على ناقلات الأمونيوم للحصول على النيتروجين الثابت مؤخرًا. كان لأزهار DDA هذه في العمود الخارجي دوران سريع لبروتين النظام الضوئي D1 الذي من المفترض أن يكون ناتجًا عن التحلل الضوئي تحت تغلغل الضوء المتزايد في المياه الأكثر نقاءً، وزيادة التعبير عن ناقلات السيليكون حيث أصبح السيليكون محدودًا. وجد أن التعبير عن هذه الجينات، بما في ذلك أنهيدراز الكربونيك وناقلات النترات والفوسفات، يعكس الحالة الفسيولوجية والكيمياء الجيولوجية الحيوية لبيئات أعمدة الأنهار. حدثت هذه الأنماط المستقرة نسبيًا لوفرة النسخ حقيقية النواة على مقاييس مكانية وزمانية متواضعة، مع ملاحظة التشابه في نسخ العينات التي تم جمعها حتى 2.45 كم في المكان و 120 دقيقة في الوقت المناسب. تؤكد هذه النتائج استخدام metatranscriptomics كأداة قيمة لفهم وظيفة المجتمع الميكروبية والتنبؤ بها.Translated Description (French)
Le fleuve Amazone a le plus grand débit de tous les fleuves de la Terre, et son système de panache complexe alimente un large éventail de processus biogéochimiques, dans une grande partie de l'Atlantique Nord tropical occidental. Le panache stimule ainsi les processus microbiens affectant la séquestration du carbone et les cycles des nutriments à l'échelle mondiale. Les modèles d'expression des gènes chromosomiques de la communauté microbienne eucaryote de 2,0 à 156 μm ont été étudiés dans le panache du fleuve Amazone, générant un ensemble de données robuste (plus de 100 millions de séquences d'ARNm) qui décrit les capacités métaboliques et les interactions entre les microbes eucaryotes. La combinaison de mesures océanographiques classiques sur le terrain avec la métatranscriptomique a permis de caractériser les conditions hydrographiques simultanément à une quantification de l'activité transcriptionnelle et de l'identité de la communauté. Nous mettons en évidence les modèles d'expression génique eucaryote pour 31 cibles géniques biogéochimiquement significatives supposées être utiles dans les modèles de prévision. Un avantage de cette approche ciblée est que la base de données de séquences de référence utilisée pour identifier les gènes cibles a été construite de manière sélective et hautement organisée, optimisant la couverture taxonomique, le débit et la précision des annotations. Une floraison côtière de diatomées a fortement exprimé les transporteurs de nitrate et l'anhydrase carbonique, probablement pour soutenir des taux de croissance élevés et améliorer l'absorption de faibles niveaux de nitrate dissous et de CO2. L'association diatom-diazotrophe (DDA : diatomées avec symbiotes de fixation de l'azote) était fréquente lorsque la salinité de surface était mésohaline et que les concentrations de nitrate dissous étaient inférieures à la détection, et ne montrait donc aucune preuve d'utilisation de nitrate, suggérant qu'ils s'appuyaient sur des transporteurs d'ammonium pour acquérir de l'azote récemment fixé. Ces efflorescences de DDA dans le panache externe avaient un renouvellement rapide de la protéine D1 du photosystème probablement causé par la photodégradation sous une pénétration accrue de la lumière dans des eaux plus claires, et une expression accrue des transporteurs de silicium à mesure que le silicium devenait limitant. L'expression de ces gènes, y compris l'anhydrase carbonique et les transporteurs de nitrate et de phosphate, reflète l'état physiologique et la biogéochimie des environnements de panache fluvial. Ces patrons relativement stables d'abondance des transcrits eucaryotes se sont produits sur des échelles spatio-temporelles modestes, avec une similitude observée dans les doubles d'échantillons collectés jusqu'à 2,45 km dans l'espace et 120 minutes dans le temps. Ces résultats confirment l'utilisation de la métatranscriptomique comme outil précieux pour comprendre et prédire la fonction de la communauté microbienne.Translated Description (Spanish)
El río Amazonas tiene la mayor descarga de todos los ríos de la Tierra, y su complejo sistema de plumas alimenta una amplia gama de procesos biogeoquímicos, en una gran área del Atlántico Norte tropical occidental. Por lo tanto, la pluma estimula los procesos microbianos que afectan el secuestro de carbono y los ciclos de nutrientes a escala mundial. Se investigaron los patrones de expresión génica cromosómica de la comunidad microbiana eucariota de 2.0 a 156 μm de fracción de tamaño en la pluma del río Amazonas, generando un conjunto de datos robusto (más de 100 millones de secuencias de ARNm) que representa las capacidades metabólicas y las interacciones entre los microbios eucariotas. La combinación de mediciones de campo oceanográficas clásicas con metatranscriptómica produjo la caracterización de las condiciones hidrográficas simultáneamente con una cuantificación de la actividad transcripcional y la identidad de la comunidad. Destacamos los patrones de expresión génica eucariota para 31 dianas génicas biogeoquímicamente significativas que se supone que son valiosas dentro de los modelos de pronóstico. Una ventaja de este enfoque dirigido es que la base de datos de secuencias de referencia utilizada para identificar los genes diana se construyó de forma selectiva y altamente seleccionada, optimizando la cobertura taxonómica, el rendimiento y la precisión de las anotaciones. Una floración de diatomeas costeras tiene una alta expresión de transportadores de nitrato y anhidrasa carbónica, presumiblemente para apoyar altas tasas de crecimiento y mejorar la absorción de bajos niveles de nitrato y CO2 disueltos. Las floraciones de asociación diatomea-diazótrofo (DDA: diatomeas con simbiontes fijadores de nitrógeno) eran comunes cuando la salinidad superficial era mesohalina y las concentraciones de nitrato disuelto estaban por debajo de la detección y, por lo tanto, no mostraron evidencia de utilización de nitrato, lo que sugiere que dependían de transportadores de amonio para adquirir nitrógeno recientemente fijado. Estas floraciones de DDA en el penacho exterior tuvieron una rápida renovación de la proteína del fotosistema D1 presumiblemente causada por la fotodegradación bajo una mayor penetración de la luz en aguas más claras, y una mayor expresión de transportadores de silicio a medida que el silicio se volvía limitante. Se descubrió que la expresión de estos genes, incluida la anhidrasa carbónica y los transportadores de nitrato y fosfato, refleja el estado fisiológico y la biogeoquímica de los entornos de penachos fluviales. Estos patrones relativamente estables de abundancia de transcritos eucariotas se produjeron en escalas espaciotemporales modestas, con similitud observada en duplicados de muestras recolectadas hasta 2,45 km en el espacio y 120 minutos en el tiempo. Estos resultados confirman el uso de la metatranscriptómica como una herramienta valiosa para comprender y predecir la función de la comunidad microbiana.Files
journal.pone.0160929&type=printable.pdf
Files
(2.2 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:6d0930465e2289d48fb6b7fccda39041
|
2.2 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- أنماط وفرة النسخ من الجينات الحيوية الجيوكيميائية حقيقية النواة في عمود نهر الأمازون
- Translated title (French)
- Patterns of Transcript Abundance of Eukaryotic Biogeochemically-Relevant Genes in the Amazon River Plume
- Translated title (Spanish)
- Patrones de transcripción Abundancia de genes biogeoquímicamente relevantes eucariotas en la pluma del río Amazonas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2515945356
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0160929
References
- https://openalex.org/W1631701154
- https://openalex.org/W1863582565
- https://openalex.org/W1963558756
- https://openalex.org/W1973259369
- https://openalex.org/W1979968585
- https://openalex.org/W1981683477
- https://openalex.org/W1981712879
- https://openalex.org/W1981837743
- https://openalex.org/W1982010910
- https://openalex.org/W1987545661
- https://openalex.org/W1988765646
- https://openalex.org/W2015617818
- https://openalex.org/W2021419336
- https://openalex.org/W2022229061
- https://openalex.org/W2024873035
- https://openalex.org/W2029742556
- https://openalex.org/W2029798112
- https://openalex.org/W2031141341
- https://openalex.org/W2031217901
- https://openalex.org/W2031611770
- https://openalex.org/W2033581543
- https://openalex.org/W2034285706
- https://openalex.org/W2040476985
- https://openalex.org/W2041684572
- https://openalex.org/W2047015783
- https://openalex.org/W2048412010
- https://openalex.org/W2052259517
- https://openalex.org/W2053529062
- https://openalex.org/W2055016782
- https://openalex.org/W2055043387
- https://openalex.org/W2059576195
- https://openalex.org/W2062018285
- https://openalex.org/W2067523374
- https://openalex.org/W2070494252
- https://openalex.org/W2070585151
- https://openalex.org/W2072166400
- https://openalex.org/W2081711688
- https://openalex.org/W2088274049
- https://openalex.org/W2090289492
- https://openalex.org/W2093068425
- https://openalex.org/W2094147584
- https://openalex.org/W2098840374
- https://openalex.org/W2107903949
- https://openalex.org/W2109555511
- https://openalex.org/W2110270998
- https://openalex.org/W2112956791
- https://openalex.org/W2119923823
- https://openalex.org/W2120772351
- https://openalex.org/W2125230147
- https://openalex.org/W2129975248
- https://openalex.org/W2135390968
- https://openalex.org/W2138122982
- https://openalex.org/W2141052558
- https://openalex.org/W2141152740
- https://openalex.org/W2145573696
- https://openalex.org/W2151736966
- https://openalex.org/W2154281565
- https://openalex.org/W2156318173
- https://openalex.org/W2158595103
- https://openalex.org/W2160378127
- https://openalex.org/W2163491293
- https://openalex.org/W2171939812
- https://openalex.org/W2179956814
- https://openalex.org/W2316541453
- https://openalex.org/W3089695634
- https://openalex.org/W4237755954
- https://openalex.org/W4249742157
- https://openalex.org/W4251207799