Analysis of the metabolic and microbial diversity of the solar salterns in Cabo Rojo using metagenomics

Abstract

The Cabo Rojo solar salterns is a hypersaline environment located in a tropical climate. Conditions in these environments remain stable throughout the year and therefore allow for the establishment of steady microbial communities. In this study, the aim was to describe the microbial community in terms of composition and metabolic processes across time using metagenomics annotation and binning techniques which provide a more comprehensive approach to assess microbial taxonomic and functional diversity. Furthermore, access to functional gene composition can give us insight into microbial processes being undertaken in these tropical hypersaline environments. Sampling was carried out in December 2014, March 2016 and July 2016; samples of 50L each were filtered through a Millipore pressurized filtering system consisting of two nitrocellulose membranes of pore sizes of 5 μm and 0.22 μm respectively. DNA was extracted from the material collected on the 0.22 μm membrane using physical-chemical methods and sequenced using paired end Illumina technologies. The sequencing effort produced 3 paired end libraries that averaged 32 million reads that were subsequently assembled into 3 metagenomes. The microbial diversity was dominated in all three samples by the phylum Euryarchaeota, followed by Bacteroidetes and Proteobacteria. However, assessment at the genus level revealed a change in predominance across all three samples with Salinibacter predominating in the first sample whereas Halorubrum and Halogeometricum predominated in the second and third samples respectively. Possible factors influencing this dynamic community could be unusual rain events as well as anthropogenic impact. Functional gene composition revealed processes related to nitrogen reduction, carbon fixation and sulfur metabolism. Binning efforts returned 6 bins that were further analyzed taxonomically. Five of these genomes were related to the halophilic archaeal genera Natronomonas, Haloferax, Haloquadratum and Halomicrobium and based on Amino Acid Identity (AAI) are most likely novel organisms. The last bin was related to the Bacteroidetes and could represent a novel genus within this phylum based on AAI. These results show a microbial community different to that encountered in other hypersaline environments worldwide and also indicates the presence of putative novel organisms.

Las Salinas de Cabo Rojo son un ambiente hipersalino localizado en un clima tropical. Las condiciones en estos ambientes se mantienen estables a través del año y facilita interacciones microbianas más estables. En este estudio, el fue describir la comunidad microbiana a través del tiempo de las salinas de Cabo Rojo en términos de composición microbiana y diversidad de genes funcionales utilizando técnicas metagenómicas que nos proveen un método más comprensivo para medir diversidad microbiana. Adicionalmente, el acceso a la composición genética nos puede proveer información acerca de procesos microbianos ocurriendo en estos ambientes. Se llevaron a cabo tres muestreos en diciembre 2014, marzo 2016 y junlio 2016. Se filtraron muestras de 50L a través de un sistema de filtración Millipore presurizado que consistía de dos membranas de nitrocelulosa con un tamaño de poro de 5μm y 0.22 μm respectivamente. Se realizó extracción de ADN en la membrana de 0.22 μm usando métodos físico-químicos y el producto fue secuenciado utilizando Illumina. La secuenciación produjo 3 bibliotecas pareadas con un promedio de 32 millones de secuencias que subsiguientemente fueron ensambladas en 3 metagenomas. La diversidad microbiana fue predominada en las tres muestras por el filo Euryarchaeota, seguido por Bacteroidetes y Proteobacteria. La determinación a nivel de género reveló que el género predominante cambiaba en las 3 muestras donde Salinibacter predominó en el primer metagenoma mientras que Halorubrum y Halogeometricum predominaron en el segundo y tercer metagenoma respectivamente. Posibles factores que puede influenciar incluyen eventos de alta pluvosidad y actividad antropogénica. En la composición genética se observó procesos relacionados a reducción de nitrógeno, producción primaria y genes relacionados al ciclo de azufre. “Binning” para genomas putativos nos devolvió 6 bins que fueron analizados taxonómicamente. Cinco de estos genomas se relacionaron a arqueas halofílicas Natronomonas, Haloferax, Haloquadratum and Halomicrobium y basado en Amino Acid Identity pueden representar nuevos organismos. El último bin estaba relacionado al filo Bacteroidetes y puede representar un género no descrito en el grupo. A través de este método metagenómico hemos descubierto una diversidad microbiana cambiante diferente a la que es encontrada en otros ambientes hipersalinos e incluye nuevos organismos. Muestreos a través del gradiente de salinidad usando metagenómica nos puede proveer información acerca de otros procesos microbianos y más organismos nuevos.