DNA metabarcoding data reveals harmful algal-bloom species undescribed previously at the northern Antarctic Peninsula region

Liu, Chenlin; Zhang, Xuelei; Wang, Xiuliang

doi:10.1007/s00300-022-03084-7

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“…New tools and methods are being developed to ameliorate this limitation (Gong and Marchetti 2019;Martin et al 2022), but so far, this cannot yet be applied to large datasets with diverse communities, particularly in the absence of genomic data for different species. In this regard, the prevalence and high relative contributions of dinoflagellate in this study and other metabarcoding surveys (Liu et al 2022) would be partially due to the high number of gene copies in this group (Gong et al 2013). However, the increase in dinoflagellates abundance from summer to autumn in the Ross Sea observed with metabarcoding data is in good agreement with previous reports based on pigments (Park et al 2021).…”

Section: Spatiotemporal Variability Across Rsrssupporting

confidence: 92%

“…Consequently, genetic characterization is critical to understanding controls of community composition and function, and prediction of ecosystem response to climate change (Fuhrman and Campbell 1998; Farrant et al 2016; Bishop et al 2022). Current descriptions at such fine taxonomic level are scarce in the Southern Ocean (Lopes dos Santos et al 2022) and primarily focus on the Antarctic Peninsula (Maria et al 2021; Trefault et al 2021; Liu et al 2022). In the case of the RSR, phytoplankton taxonomic characterizations have been conducted mainly on the continental shelf (Arrigo et al 2000; Mangoni et al 2017), but not in the shelf‐slope and oceanic subregions, limiting the determination of climate change impacts in the wider region.…”

mentioning

confidence: 99%

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Environmental driving forces and phytoplankton diversity across the Ross Sea region during a summer–autumn transition

Cristi,

Law,

Pinkerton

et al. 2024

Limnology & Oceanography

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The Ross Sea is a highly productive system characterized by a seasonal succession of phytoplankton groups. However, most of the current understanding is based on observations on the continental shelf in spring and summer at relatively coarse taxonomic resolution. Here, we characterize community composition (class to species) using V4‐18S rRNA gene metabarcoding on transects to and across the Ross Sea (shelf‐slope and oceanic subregions) during two voyages covering the Austral summer–autumn progression in successive years. Phytoplankton composition shifted from low‐diversity diatom‐dominated (50%) communities during the summer to more diverse dinoflagellate‐dominated (48%) systems during the lower‐productivity autumn season. Prymnesiophyceae abundance was low on both voyages (10%), except on the southeast shelf‐slope, where Phaeocystis antarctica dominated a shallow mixed layer, contrary to its reported preference for deep‐mixing conditions. Amplicon sequence variant analysis identified distinct spatial patterns for two P. antarctica genotypes yet clustered certain species of Bacillariophyta and Prymnesiophyceae, indicating similar environmental preference for genotypes in these groups. Multivariate analysis of environmental drivers found a higher correlation of community composition variation with salinity and macronutrients, but less so with mixed layer depth, considered a primary determinant of taxonomic composition in the Ross Sea. Comparison between years established that community composition was temporally more stable in oceanic relative to shelf‐slope waters. This study of seasonal variation of phytoplankton community composition at finer taxonomic resolution provided insights into species‐ and strain‐specific distribution, ecological preferences, and relationships to environmental conditions in the wider Ross Sea to inform modeling and projection of future regional changes.

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Section: Spatiotemporal Variability Across Rsrssupporting

confidence: 92%

mentioning

confidence: 99%

Environmental driving forces and phytoplankton diversity across the Ross Sea region during a summer–autumn transition

Cristi,

Law,

Pinkerton

et al. 2024

Limnology & Oceanography

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“…Based on previous study, Group 2i is widely identified in seawater and ice samples in the Arctic Ocean, where other Isochrysidales are rare 3 . Here, we investigated DNA recovered from seawater samples collected in the Antarctic region and report the first identification of Group 2i in the Southern Ocean, from seawater samples collected during the austral summer in the northern Antarctic Peninsula region 17 (Fig. 2 ).…”

Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

“…Bootstrap values that are > 50% are shown. Liu et al 17 collected surface water samples and water column samples in the northern Antarctic Peninsula region. Only three samples collected from water column at depth of 150 m, 200 m, 340 m at 60.85 S, 45.64 W recovered Isochrysidales DNA, all three ASVs falls into Group 2i.…”

Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

Group 2i Isochrysidales thrive in marine and lacustrine systems with ice cover

Wang,

Huang,

Kartzinel

et al. 2024

Sci Rep

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Global warming is causing rapid changes to the cryosphere. Predicting the future trajectory of the cryosphere requires quantitative reconstruction of its past variations. A recently identified sea-ice-associated haptophyte, known as Group 2i Isochrysidales, has given rise to a new sea-ice proxy with its characteristic alkenone distributions. However, apart from the occurrence of Group 2i Isochrysidales in regions with sea ice, and the empirical relationship between C37:4 alkenone abundance and sea-ice concentration, little is known about the ecology of these haptophyte species. Here, we systematically mapped the spatial and temporal occurrence of known Group 2i Isochrysidales based on environmental DNA in both marine and lacustrine environments. Our results indicate Group 2i is widely distributed in icy marine and lacustrine environments in both Northern and Southern Hemisphere, but is absent in warm environments. Temporally, Group 2i is part of the sea-ice algae bloom during the cold seasons, in contrast to other Isochrysidales that bloom in open waters during warm seasons. Our results indicate that ice is a prerequisite for the occurrence of the psychrophilic Group 2i haptophytes in marine and lacustrine ecosystems and further affirms its value for past ice reconstructions.

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“…En estas zonas altamente impactadas por el cambio climático que atravesarán cambios inminentes en sus ecosistemas es imprescindible relevar la biodiversidad (Verde et al 2016;Gutt et al 2018;Henley et al 2019). La composición de estas áreas podría verse altamente modificada; especies cosmopolitas de zonas cálido-templadas podrían reemplazar a especies criofílicas (Liu et al 2022). De este modo, los estudios que permiten conocer la identidad taxonómica de los principales organismos que conforman el fitoplancton son importantes para evaluar cambios a largo plazo en los ecosistemas.…”

Section: Capítulounclassified

La comunidad fitoplanctónica en zonas costeras previamente inexploradas del oeste de la Península Antártica (63° – 67° S)

Mascioni

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El oeste de la Península Antártica (PA) es una de las regiones más productivas del Océano Austral, siendo las zonas costeras los lugares con mayor acumulación de fitoplancton. Particularmente, la región costera al oeste de la PA entre los 63° y 67° S encierra varios fiordos y bahías con glaciares que descargan directamente en el mar, caletas, pasajes y estrechos entre islas. Los procesos ecológicos y biogeoquímicos de estos ecosistemas costeros están fuertemente influenciados por la formación de hielo marino y la entrada de agua dulce procedente del deshielo de los glaciares y el hielo marino. Recientemente, la PA ha sufrido un rápido calentamiento climático con un aumento de 2°C de la temperatura media anual desde 1950, generando una disminución de la extensión y duración del hielo marino y el retroceso de los glaciares. Las zonas costeras de la PA son un refugio para los mamíferos y aves marinos que llegan principalmente atraídos por su fuente de alimento, el krill antártico. El rol fundamental que cumple el fitoplancton como la base de la cadena trófica y sustento del krill, implica que cambios en su composición pueden tener efecto en cadena en todo el ecosistema. Por ejemplo, el reemplazo en esta comunidad de diatomeas microplanctónicas (>20 μm) por flagelados nanoplanctónicos (2-20 μm) podría significar una pérdida de entre el 40% y el 60% de energía en la red trófica, debido a que el krill se alimenta selectivamente de diatomeas microplanctónicas. Las altas congregaciones de krill en estas zonas costeras sugieren una alta productividad primaria asociada a floraciones de diatomeas microplanctónicas, aunque no existen estudios que lo confirmen. Tampoco estudios que describan la composición fitoplanctónica ni muestreos plurianuales que permitan captar la estacionalidad, sobre todo durante la temporada productiva (primavera-verano). La evaluación de la estructura y dinámica de los ecosistemas en las zonas costeras al oeste de la PA es esencial para dilucidar los patrones existentes de productividad y biodiversidad y comprender la sensibilidad de dichos ecosistemas al cambio climático. En este contexto, el presente trabajo de tesis tiene como objetivo general caracterizar la composición, dinámica espacial y temporal y productividad de la comunidad fitoplanctónica de estas zonas costeras poco exploradas ubicadas en la costa oeste de la PA entre los 63° y 67° S, con el fin de proveer información de base sobre el estado actual que sirva para evaluar los posibles efectos del cambio climático sobre estas comunidades y los ecosistemas asociados. Para tal fin se colectaron muestras de agua para análisis microscópicos provenientes de distintas zonas costeras y en distintas estaciones del año (primavera, verano y otoño) entre los años 2015 y 2019, en el marco de dos proyectos colaborativos internacionales. En este trabajo de tesis se registraron cinco grupos fitoplanctónicos principales (criptofitas, diatomeas, dinoflagelados, pequeños flagelados y prasinofitas), pertenecientes a la fracción nano y microplanctónica. Dentro de estos cinco grupos, las diatomeas fueron el grupo más común y diverso, con 50 géneros y numerosos taxones endémicos. Los organismos nanoplanctónicos (ej. criptofitas, prasinofitas y pequeños dinoflagelados) fueron difícilmente identificados microscópicamente debido a la necesidad de emplear otras técnicas o a que los organismos no coincidían con citas previas para la PA ni para Antártida. Esto sugiere que en aguas Antárticas todavía queda una diversidad inexplorada de organismos fitoplanctónicos. Se analizó la abundancia y biomasa de los componentes del fitoplancton en las distintas estaciones del año en diferentes zonas costeras al oeste de la PA con el fin de comparar y contextualizar los resultados con investigaciones previas llevadas a cabo en otras zonas mejor conocidas de la PA. Los valores más altos de abundancia y biomasa se registraron durante los meses de primavera y verano cuando se registraron varias floraciones (≥1,5 x 106 células L-1 y ≥97,5 μgC L-1), entre ellas la primera floración de dinoflagelados desnudos al oeste de la PA. Se destaca la elevada abundancia de los nanoflagelados en estas aguas y el aporte de biomasa de las diatomeas microplanctónicas. Asimismo, se analizó particularmente el fitoplancton de primavera (2015) y otoño (2016) en un fiordo (bahía Andvord) ubicado en la zona media de la PA, en relación con la productividad primaria y las tasas de crecimiento, medidas con incubaciones de 14C. Se destaca la alta productividad de la bahía en primavera (151,2 ± 62,5 mgC m-3 d-1), particularmente en muestras dominadas por un ensamble de diatomeas microplanctónicas (ej. Odontella weissflogii, Neomoelleria antarctica, Proboscia spp.). El ensamble dominado por criptofitas tuvo una productividad intermedia (63,1 ± 32 mgC m-3 d-1) y la productividad más baja se encontró en un ensamble dominado por pequeños dinoflagelados gymnodinioides (6,9 ± 5,1 mgC m-3 d-1). Los resultados de este análisis apoyan hipótesis previas de que el cambio climático podría afectar los ecosistemas costeros de la PA al favorecer ensambles de fitoplancton menos productivos (criptofitas) sobre ensambles de fitoplancton más productivos (diatomeas). Las estimaciones de productividad, asimilación de carbono y crecimiento del fitoplancton presentadas en esta tesis contribuyen a comprender el ciclo del carbono en estos ecosistemas. Conjuntamente, se analizó el fitoplancton de seis zonas costeras conectadas al estrecho de Gerlache entre los 64° y 65° S durante tres veranos consecutivos (2016-2019) a lo largo de los meses de primavera-verano (de noviembre a marzo). Los patrones sucesionales detectados se ponen en contexto con procesos oceanográficos a pequeña escala, particularmente con la ocurrencia de un frente térmico que se forma en el medio del estrecho de Gerlache (~64,5°S) durante los meses de verano, separando aguas más cálidas al norte y más frías al sur. En los dos primeros veranos se encontraron diferencias significativas en la composición de la comunidad fitoplanctónica y en los patrones sucesionales al norte y al sur del área de muestreo, principalmente en los meses de alta biomasa: diciembre y enero. Durante diciembre, las criptofitas formaron floraciones al norte, mientras que las diatomeas microplanctónicas dominaron al sur, y durante enero, pequeñas diatomeas centrales dominaron al norte, mientras que las prasinofitas formaron floraciones al sur. Esta distinción espacial en las comunidades de fitoplancton se asoció a la presencia del frente térmico en el estrecho de Gerlache, que fue confirmado por el análisis de 10 años de datos de teledetección. Esta tesis representa una línea de base a partir de la cual futuras investigaciones en zonas costeras al oeste de la PA podrán evaluar cambios en la comunidad fitoplanctónica asociados al calentamiento global. La identidad de los organismos nanoplanctónicos formadores de floraciones no pudo ser dilucidada mediante análisis ultraestructurales con microscopía electrónica, por lo cual estudios futuros deberán incluir el establecimiento de cultivos celulares y combinar análisis microscópicos y genéticos a fin de brindar una caracterización más completa de la diversidad fitoplanctónica en estas aguas. Durante el período abarcado en esta tesis no se encontraron floraciones de diatomeas microplanctónicas probablemente debido al retroceso temprano del hielo marino durante los años muestreados. Se considera también la posibilidad de que el krill antártico ejerza una importante presión de pastoreo sobre las diatomeas microplanctónicas en las zonas costeras analizadas, favoreciendo así el predominio de la fracción nanoplanctónica. Sin embargo, se necesitan análisis comparativos complementarios de fitoplancton y zooplancton para probar esta hipótesis, así como el análisis de otros factores ambientales. Estudios a futuro permitirán comprobar el poder predictivo de los patrones sucesionales aquí propuestos y seguir aprendiendo sobre la composición del fitoplancton en estas zonas costeras.

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DNA metabarcoding data reveals harmful algal-bloom species undescribed previously at the northern Antarctic Peninsula region

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La comunidad fitoplanctónica en zonas costeras previamente inexploradas del oeste de la Península Antártica (63° – 67° S)

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