Comparison of bacterial communities in sponge, sediment and water biotopes in the Indo-Pacific region

Abstract

Sponges are an important structural and abundant part of coral reefs, and their microbial symbionts contribute to nutrient cycling and host nutrition, health and defence. However, microbial communities associated to sponges have to be structurally and functionally characterized so their symbiotic function in such host can be truly understood. This thesis addresses, through the use of a 16S rRNA gene high-throughput sequencing approach, the analyses of the composition, phylogeny and putative functions of bacterial communities inhabiting the sponges Suberites diversicolor, Cinachyrella australiensis, Stylissa carteri, Stylissa massa, Aaptos lobata and Xestospongia testudinaria and both seawater and sediment from three different systems (Indonesian marine lakes and coral reefs from Singapore and Tioman) in the Indo-Pacific region. Also, the influence of habitat (e.g. marine lake vs. open water) on bacterial composition and the influence of HMA/LMA dichotomy on putative function of sponge-associated bacteria were evaluated. Results showed, in general, biotope as the main predictor of bacterial communities’ richness, composition, abundance and putative function. Significant differences were found between sponges’ bacterial communities and those from the surrounding seawater and sediment. Habitat only appeared to be a better predictor than biotope for bacterial richness in marine lakes. Strong similarities were detected between bacterial communities in X. testudinaria and the putative HMA A. lobata, supporting the previous indication that A. lobata might be indeed an HMA sponge. Moreover, all samples were dominated by phyla involved in nutrient cycling and in sponge nutrition, health and defence, such as Proteobacteria, Chloroflexi and Cyanobacteria. At a lower taxa level, samples were dominated by Kiloniellales (with potential for denitrification), Chromatiales (purple sulphur bacteria), Hyphomicrobiaceae (methylotrophic denitrifiers), SRA202 (sulphite-oxidizers), Anaerolineae (organic matter degraders), Synechococcophycideae (carbon fixation), Thiohalorhabdales (sulphur oxidizing bacteria). The predicted metagenome (PICRUSt) analysis showed high similarity of functional profiles between both Stylissa species and between A. lobata and X. testudinaria. Furthermore, subcategories “Signaling Molecules and Interaction”, “Carbohydrate Metabolism” and “Excretory System” were enriched in HMA sponges whilst subcategories “Replication and Repair”, “Energy Metabolism”, “Metabolism of Cofactors and Vitamins” and “Environmental Adaptation” were enriched in LMA sponges. The results also showed that HMA and LMA associated bacterial communities shared similar core functional features, albeit they use distinct strategies to deal with pathogens, obtain energy or DNA repair against environmental stress.

As esponjas são uma parte importante e abundante dos recifes de coral, e os seus simbiontes microbianos contribuem para os ciclos de nutrientes assim como para a nutrição, saúde e defesa desses organismos. Contudo, as comunidades microbianas associadas às esponjas devem ser caracterizadas estrutural e funcionalmente para que a sua função simbiótica nesses hospedeiros seja verdadeiramente compreendida. Esta tese reporta, através de uma abordagem de sequenciação em massa do gene 16S rRNA, a análise da composição, filogenia e potenciais funções das comunidades bacterianas associadas às esponjas Suberites diversicolor, Cinachyrella australiensis, Stylissa carteri, Stylissa massa, Aaptos lobata e Xestospongia testudinaria assim como da água e sedimento de três sistemas diferentes (lagos marinhos Indonésios e recifes de coral de Singapura e Tioman) na região do Indo-Pacífico. A influência do habitat (lagos marinhos vs. águas abertas) na composição bacteriana e a influência da dicotomia HMA/LMA (elevada e baixa abundância microbiana) na potencial função das bactérias associadas às esponjas também foram avaliadas. Em geral, os resultados mostram o biótopo como o principal preditor da riqueza, composição, abundância e potencial função das comunidades bacterianas. Encontraram-se diferenças significativas entre as comunidades bacterianas das esponjas e da água e sedimento adjacentes. Sendo que, o habitat apenas foi considerado como melhor preditor para a riqueza bacteriana nos lagos marinhos. Foram detetadas elevadas similaridades entre as comunidades bacterianas de X. testudinaria e da putativa HMA A. lobata, sustentando a indicação prévia de que esta última deva ser uma esponja HMA. Além disso, todas as amostras apresentaram dominância de filos envolvidos em ciclos de nutrientes e na nutrição, saúde e defesa das esponjas, tais como Proteobacteria, Chloroflexi e Cyanobacteria. A um nível taxonómico mais baixo, as amostras mostraram predominância de Kiloniellales (com potencial para a desnitrificação), Chromatiales (bactérias sulfurosas roxas), Hyphomicrobiaceae (desnitrificadores metilotróficos), SRA202 (oxidantes de sulfitos), Anaerolineae (degradadores de matéria orgânica), Synechococcophycideae (fixação de carbono), Thiohalorhabdales (oxidantes de enxofre). A predição funcional por meio do programa PICRUSt (Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States) mostrou elevada similaridade dos perfis funcionais entre as espécies de Stylissa e entre A. lobata e X. testudinaria. Adindo, as subcategorias “Signaling Molecules and Interaction”, “Carbohydrate Metabolism” e “Excretory System” estavam enriquecidas nas esponjas HMA enquanto as subcategorias “Replication and Repair”, “Energy Metabolism”, “Metabolism of Cofactors and Vitamins” e “Environmental Adaptation” estavam enriquecidas nas esponjas LMA. Evidenciou-se a partilha de um conjunto de características funcionais entre as comunidades bacterianas associadas às esponjas HMA e LMA, porém que ambas usam diferentes estratégias para lidar com patogénicos, obter energia ou reparação de DNA contra estresse ambiental.