Diversity of bacteria associated with the mangrove fiddler crab, Uca rapax, in Boquerón, Puerto Rico and their cellulose degradation capacity

Abstract

Mangrove habitats are considered one of the most productive ecosystems in the world, and are very important because they are habitats for many microorganisms and marine invertebrates, such as fiddler crabs. Fiddler crabs (Uca rapax) are small deposit-feeders crustaceans, hence the particles found in mangrove sand and especially detritus are part of their diet. Their primary ecological role is the recycling of organic matter; also by burrowing deep into the mud, they create tunnels that aerate the estuarine soil, what promotes aerobic conditions. Mangrove soils contain mainly lignocellulose components, cellulases are secreted by soil microorganisms, yet it is not known if fiddler crabs’s gut microflora is able to do so also. The gut microbes might contribute to the host nutritional fitness, especially by increasing the extracellular enzymes to degrade organic matter, such as lignocellulose. First, we compared the bacterial communities from mangrove soil and the hindgut microflora of fiddler crabs during the wet and dry seasons using culture-dependent methods (Chitin media, Lenox broth (LB) media, Marine agar and Mangrove soil agar). Bacterial isolates were then identified through 16S rDNA gene amplification and sequencing. UniFrac analysis found significant differences between mangrove soil and hindgut microflora bacterial communities only in the wet season. To identify specific bacterial communities associated with the hindgut of Uca rapax, we compared the genera present there with those in the soil. Vibrio was the only genus that was consistently isolated from the hindgut (in both seasons), but never detected in mangrove soil; although it was isolated at a low frequency (3.8%). We studied cellulose degradation, using carboxymethylcellulose (CMC) as carbon source in order to identify cellulase producing bacteria associated with the hindgut of Uca rapax; where more than 80% were positive cellulase producers under laboratory conditions. The statistical analysis showed significant differences in cellulose degradation capacity among bacterial strains suggesting that some strains have different enzymatic capabilities when degrading cellulose. Our results could suggest that the hindgut microflora of Uca rapax, is involved in the recycling of carbon. This implies that the activity of cellulases makes an important contribution to the nutrition by converting cellulose into simpler carbohydrates prior to the ingestion of detritus by the fiddler crabs.

Los manglares son considerados uno de los ecosistemas más productivos del mundo. Poseen gran importancia ecológica debido a que sirven de hábitats para microorganismos e invertebrados marinos, como los cangrejos violinistas. Los cangrejos violinistas (específicamente la especie Uca rapax) son pequeños crustáceos detritívoros, lo cual implica que se alimentan del sedimento del manglar, específicamente del detrito. Su rol ecológico es reciclar materia orgánica cuando filtran y crean túneles en el suelo, que a su vez permiten aireación del mismo. El suelo del mangle está compuesto principalmente de derivados lignocelulíticos, pero se desconoce si la producción de celulasas necesaria para obtener los nutrientes del suelo son secretadas por los cangrejos así como por las bacterias. No obstante, las bacterias asociadas al sistema intestinal deben contribuir al desempeño nutricional del cangrejo, particularmente por la producción de enzimas extracelulares que degraden materia orgánica (lignocelulosa). Inicialmente, comparamos las comunidades bacterianas del sedimento y del intestino posterior de Uca rapax tanto en época húmeda como en época seca utilizando métodos dependientes de cultivo (medios de quitina, Lenox (LB), agar marino y sedimento de mangle) y luego amplificamos y secuenciamos el gen del 16S rADN. Los análisis realizados en UniFrac presentaron diferencias significativas entre las comunidades bacterianas aisladas del sedimento y del intestino posterior únicamente en la temporada húmeda. Para identificar comunidades específicas de bacterias asociadas al intestino posterior de Uca rapax, comparamos los géneros presentes en ambos ambientes. Vibrio fue el único género siempre aislado del intestino posterior en ambas temporadas, pero nunca se aisló del suelo del manglar. A pesar de que Vibrio se aisló consistentemente, su frecuencia fue baja (3.8%). Realizamos un estudio de degradación de celulosa, utilizando carboximetilcelulosa (CMC) como fuente de carbono, y los resultados indican que en ambas temporadas, más del 80% de las bacterias analizadas del intestino posterior fueron productoras de celulasas bajo condiciones de laboratorio. Los análisis estadísticos establecen diferencias significativas en la producción de celulasas, lo cual sugiere que algunas cepas poseen diferentes capacidades para degradar celulosa. Nuestros resultados sugieren que las comunidades de bacterias asociadas al intestino posterior de Uca rapax pueden estar involucradas en el reciclaje de carbono. Esto implica que la actividad enzimática de celulasas compone una importante contribución en la nutrición, cuando convierten celulosa a carbohidratos simples antes de la ingestión del detrito por los cangrejos violinistas.