Ashley Shade, Stuart E. Jones, J. Gregory Caporaso, Jo Handelsman, Rob Knight, Noah Fierer, Jack A. Gilbert
Microbial communities typically contain many rare taxa that make up the majority of the observed membership, yet the contribution of this microbial “rare biosphere” to community dynamics is unclear. Using 16S rRNA amplicon sequencing of 3,237 samples from 42 time series of microbial communities from nine different ecosystems (air; marine; lake; stream; adult human skin, tongue, and gut; infant gut; and brewery wastewater treatment), we introduce a new method to detect typically rare microbial taxa that occasionally become very abundant (conditionally rare taxa [CRT]) and then quantify their contributions to temporal shifts in community structure. We discovered that CRT made up 1.5 to 28% of the community membership, represented a broad diversity of bacterial and archaeal lineages, and explained large amounts of temporal community dissimilarity (i.e., up to 97% of Bray-Curtis dissimilarity). Most of the CRT were detected at multiple time points, though we also identified “one-hit wonder” CRT that were observed at only one time point. Using a case study from a temperate lake, we gained additional insights into the ecology of CRT by comparing routine community time series to large disturbance events. Our results reveal that many rare taxa contribute a greater amount to microbial community dynamics than is apparent from their low proportional abundances. This observation was true across a wide range of ecosystems, indicating that these rare taxa are essential for understanding community changes over time.
Luisa Sandner
ReplyDeleteConditionally Rare Taxa Disproportionately Contribute to Temporal Changes in Microbial Diversity
A. Shade et al.
En este trabajo los autores hacen una búsqueda de los taxa raros en varios comunidades ecosistemas naturales y relacionadas a humanos y lo hacen de manera temporal, toman muestras en el tiempo. La importancia de hacerlo en el tiempo es poder encontrar patrones significativos de crecimiento (blooming) a los que ellos denominaron dinámica de “raro a prevalente”. Ellos llamaron a los microorganismos raros que presentaban este comportamiento temporal CRT (Conditionally Rare Taxa) o taxa raros condicionados, condicionados a crecer y participar de una forma significativa en los ciclos biogeoquímicos y en las interacciones de la comunidad cuando las condiciones les son favorables.
Usaron la secuencia del 16s rRNA de 3,237 muestras en 42 series de tiempo.
Resultados más importantes: encontraron que en algunos ecosistemas la incidencia iba de 1.5 a 28% del total de los miembros de la comunidad. Los CRT representan una amplia diversidad filogenética donde la mayoría de los ecosistemas está dominado por Proteobacteria, excepto en los tractos digestivos que se encuentran dominados por Firmicutes. También econtraron que existe, en algunas comunidades, una sincronía en los ciclos de raro a prevalente en el tiempo entre los diferentes taxa. En cambio, también encontraron que hay taxa “one-hit wonder”, esto es que sólo crecen y prevalecen una sola vez en el tiempo y luego regresan a su estatus de raro. Esto podría deberse a eventos de migración de un taxón foráneo que se adapte muy bien a su nuevo nicho. Los autores diferencian dos tipos de CRTs, los que contribuyen a su comunidad dados los cambios rutinarios del ambiente (por ejemplo las estaciones del año) o los CRTs que contribuyen después de una perturbación drástica del ambiente. A esta última situación yo lo compararía con las especies oportunistas que colonizan los ecosistemas en una sucesión secundaria.
Como conclusión se puede decir que los CTR son miembros ampliamente distribuidos en las comunidades microbianas y que contribuyen temporalmente en su comunidad de una forma desproporcionada si se toman en cuenta sus abundancias relativas. Para mi lo más importante de este artículo es que esta dinámica temporal de “raro a prevalente” de la microbiota rara, puede ser un indicativo de los cambios ambientales finos (físicos, químicos y biológicos: interacciones) que de otra forma pasarían inadvertidos.
Alan Heres Rojas
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Los procariontes son una de las formas de vida más diversas y con mayor riqueza de especies en la tierra. Estos representan dos de los tres dominios de la vida y su vasta diversidad es el producto 3800 millones de años de evolución.
Las comunidades microbianas son vitales para el funcionamiento de todos los ecosistemas ya que estas llevan a cabo las transformaciones biogeoquímicas que mantienen y dan estructura a los sistemas naturales. La mayoría de las formas de vida en la tierra tienen estrechas asociaciones con comunidades microbianas, formando complejas relaciones que favorecen el equilibrio, la adaptación y la flexibilidad a los cambios en su ambiente. Sin embargo, y a pesar del rol central de las comunidades microbianas en los sistemas biológicos, aun no somos capaces de entender las intricadas interacciones entre sus miembros y como estas interacciones contribuyen al funcionamiento de los ecosistemas.
En los últimos años ha aumentado el interés de entender el papel de los microorganismos considerados como “raros” (en términos de su abundancia relativa) en las comunidades microbianas. Determinar si los taxa raros permanecen con abundancias bajas o periódicamente aumentan en abundancia nos permitirá entender el papel de estos microorganismos en el funcionamiento de los ecosistemas en relación a su estabilidad.
Habitualmente los miembros de la comunidad microbiana considerados como raros (biosfera rara) abarcan una inmensa diversidad, sin embargo, el papel ecológico aun no es claro. A menudo los taxa raros pueden ser activos, es decir, cumplen importantes funciones que son desproporcionales en relación a su abundancia o tasas de crecimiento, por ejemplo, los helpers en algunas comunidades microbianas. Por otro lado, también los taxa raros pueden ser organismos dormantes o inactivos, aguardando a mejores condiciones ambientales para su crecimiento sugiriendo que estos responden a dinámicas cíclicas o temporales. En este artículo se propone una estrategia metodológica para el estudio de esta biosfera rara, sin embargo, este tipo de estudios suelen ser complicados desde el punto de vista monetario dado que para llevar a cabo un estudio de este tipo es necesario muestrear a lo largo de un periodo de tiempo amplio para tener una mejor idea de la dinámica de las comunidades microbianas en un tiempo y espacio dado.
Alejandra Hernández Terán
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Shade, 2014
Aquellos organismos que se encuentran en una muestra dada en una abundancia menor a 0.1 se le denomina biósfera rara, estos organismos tienen la capacidad de crecer de manera exponencial cuando las condiciones ambientales se vuelven propicias. Estos representan una reservorio de innovación genética y funcional ya que su presencia no es constante. Esto es importante, ya que usualmente por cuestiones metodológicas se suele eliminar aquellos organismos que presentan bajo numero de secuencias, ya que esto introduciría ruido estadístico a nuestro análisis, lo que significa que estamos eliminando datos importantes que podrían ayudarnos a la hora de tratar de responder preguntas.
Los autores realizan una búsqueda de taxas raros en comunidades de diferentes ambientes naturales en donde los estudian de manera temporal, esto, para observar si existían patrones de crecimiento en estos microorganismos; posteriormente, descubren un patrón de crecimiento que va de raro a aumentado, mediado principalmente por las condiciones ambientales, estos organismos, llamados CRT Conditionally Rare Taxa tienen la capacidad de multiplicarse interviniendo de manera muy activa en distintos procesos. Poco se sabe acerca de estos microorganismos, quienes son los principales y qué funciones tienen en el ambiente, por eso es importante conocer la dinámica de crecimiento de éstos, lo cual puede permitirnos entender su papel en el ecosistema. Mediante la secuenciación del gen 16S rRNA los autores analizan las comunidades de 3237 muestras en series de tiempo, encontrando principalmente que los CRT muestran una variedad filogenética amplísima dominada, como era de esperarse, por miembros de los grupos Proteobacteria y Firmicutes. Los resultados que me parecieron más importantes fueron: 1. los One Hit Wonder; organismos que en una muestra temporal pasan de no ser detectados a tener abundancias relativamente altas, pero sólo por un tiempo, para regresar después al estado anterior; este fenómeno podría darse por fenómenos de inmigración, en donde organismos de un ambiente distinto llegan y por encontrar condiciones favorables se multiplican y crecen, en este sentido se podrían plantear dos escenarios: uno en el que las condiciones favorables cambian y el nuevo taxa baja su abundancia hasta ser raro de nuevo, o que las condiciones se mantengan y este grupo alcance un equilibrio en su población. 2. al momento de graficar las abundancias por taxón, se observa que distintos grupos de CRT se levantan en abundancia al mismo tiempo, es decir, son cladodependientes, donde ciertas condiciones ambientales con favorables para distintos grupos de un mismo clado, provocando que crezcan de manera simultánea. Así, los autores concluyen que los CRT son altamente diversos filogenéticamente hablando, y que su aporte en funcionalidad es altamente importante, aunque al observar sus abundancias no se piense lo mismo. Además de que es indispensable conocer cómo trabajan estos CRT en el ecosistema ya que podrían ser piezas clave que contribuyan en la estabilidad.
La metagenómica ha permitido estudiar poblaciones bacterianas in situ. Esta tecnología ha incrementado el muy escaso conocimiento que se tenía sobre el comportamiento de las bacterias fuera de los matraces y las cajas Petri de los laboratorios de investigación. A la metagenómica debemos el renovar el estudio de las interacciones microbianas y expandir su estudio a niveles que anteriormente cabían en la mente de los cietíficos apenas como meras fantasías. No obstante el avance de la metagenómica, casi desde sus inicios, se ha encontrado con un tropiezo que aún hoy en día cuesta flanquear. Al secuenciar una muestra, gran parte de los datos obtenidos se desechan para facilitar el análisis bioinformático, entre estos datos inutilizados (pero quizá no inutilizables) se encuentran secuencias no ensambladas y secuencias con frecuencias de aparición muy bajas.
ReplyDeleteEl trabajo de Shade busca probar que las secuencias desechadas en los análisis convencionales pueden tener reelevancia en la estructura y función de las comunidades microbianas. Con este fin describen el término taxa condicionalmente raro (CTR, por sus siglas en inglés), que aplica para aquellas poblaciones de secuencias que normalmente se hayen bajas pero que tengan uno o varios picos discretos de abundancia. Para detectar bioinformaticamente los CTRs, el equipo aplica una ecuación estadística que permite definir si una distribución es unimodal o no y qué tan cercana se encuentra de ser una distribución bimodal perfecta. Hecho esto, se dan a la tarea de analizar series de datos de metagenómica obtenidos por otros grupos. Como esperaban, encuentran, en todos los conjuntos de datos analizados, poblaciones muy particulares de microorganismos que "florecen" a intervalos de tiempo determinados para volver a decaer, dichas poblaciones conforman entre un 30% a menos del 10% de las secuencias totales. No sólo son una fracción amplia de las secuencias detectadas sino que estas poblaciones se agrupan filogenéticamente en un mismo clado, hecho que quizá refleje el valor funcional de éstas. Entre los CTRs se encuentran también un grupo muy carácerístico de bacterias que unicamente aparecen una vez en los muestreos pero que adquieren demasiada presencia en los datos, es decir que son muy abundantes en el momento en el que se detectan. A este grupo de CTRs lo denominan como "one-hit wonders". Los autores adjudican este efecto a eventos de migración. En un último análisis, los autores examinan la importancia de los CTRs para la remediación de un ecosistema alterado. Hacen notar que existen florecimientos de CTRs en distintas etapas de la recuperación del ecosistema, lo que podría dar una importancia sustancial a los CTRs en el proceso de remediación.
Este artículo es la prueba de que las especies subrepresentadas en los análisis genómicos puede adquirir importancia funcional en la comunidad en tiempos determinados. Se pueden extraer varios puntos a considerar en el estudio de la metagenómica: el tiempo y la intensidad de muestreo deben ser grandes si se busca inferir el funcionamiento de la comunidad; es una necesidad inminente desarrollar mejores algoritmos que permitan considerar las especies raras dentro del análisis genómico. De no lidiar con estos problemas el campo de la ecología microbiana pudiera estar gravemente sesgado a las especies abundantes, e interacciones importantes para la fisiología de la comunidad pudieran estar siendo pasadas por alto, dando a su vez importancia a interacciones quizá no tan relevantes.