Analysis of functional genes diversity in aquatic fungal species

Abstract

Freshwater ecosystems comprise detritus-based food webs, which use allochthonous sources of nonliving organic carbon, such as leaf litter, as their main energy sources. A group of microbial decomposers, known as aquatic hyphomycetes (AQH), have a dominant role in the leaf litter decomposition process. These organisms can produce extracellular enzymes targeting complex molecules involved in this process and are also able to assimilate nutrients from stream water, immobilizing them in the decomposing substrate. However, global alterations, particularly increases in stream water temperatures, are predicted to substantially impact freshwater ecosystems functioning, potentially causing biodiversity losses, which could, in the case of AQH communities, lead to losses of specific enzymatic abilities. AQH diversity has been assessed in some studies, but mostly regarding their taxonomic relationships. Some other studies have assessed degradative potentials of AQH species through qualitative enzymatic assays. Our study is, to the best of our knowledge, the first to evaluate functional gene and protein diversities of an assortment of 16 functional genes involved in leaf litter decomposition in 30 different AQH species. Functional genes assessments were performed resorting to methods such as PCR amplifications, cloning and in silico analyses. Functional diversity was assessed through phylogenetic trees. Our results reveal, for most cases, a correlation between taxonomic and functional gene relatedness. Additionally, we have found intra- and interspecific differences between AQH isolates, for both functional gene and protein partial sequences as well as divergences between nucleotide and amino acid sequences for the same organism and functional gene. No correlation was found between the intensity of the degradative reaction and the degree of phylogenetic relatedness. These results are the kickstart to further assessments on functional diversity across AQH species and the impacts of global change alterations in AQH communities’ survival, interactions and degradative performances. Studies as such will also allow better predictions on how those alterations will affect nutrient cycling and supplying to higher trophic levels and, subsequently, freshwater ecosystems functioning.

A folhada que cai nos ribeiros é a fonte principal de energia nestes ecossistemas. Os hifomicetos aquáticos (AQH) são um grupo de decompositores microbianos que dominam o processo de decomposição da folhada devido à sua capacidade de produzir enzimas extracelulares que degradam as moléculas complexas da folhada e de assimilar nutrientes da água, imobilizando-os na folhada em decomposição. A influência de alterações globais, como aumentos na temperatura da água, é particularmente preocupante nestes ecossistemas, podendo provocar perdas de biodiversidade que, no caso de AQH, poderão representar algumas perdas de capacidade enzimática nas suas comunidades. A maioria dos estudos de biodiversidade destes organismos baseia-se em parâmetros filogenéticos. Existem também estudos qualitativos sobre a capacidade de degradação de AQH, que, apesar de informativos, não representam totalmente a diversidade funcional destes organismos. O nosso estudo compreende a primeira análise da diversidade de um conjunto de genes funcionais que codificam enzimas envolvidas na decomposição de folhada num grupo alargado de espécies de AQH. Para tal, foram utilizadas 30 espécies de AQH e sequências parciais de 16 genes funcionais. Essas sequências foram obtidas através de técnicas como amplificação PCR, clonagem e análises in silico, sendo a avaliação da diversidade funcional feita através de árvores filogenéticas. Os resultados obtidos apontam para uma correlação entre proximidades taxonómicas e funcionais na maioria dos casos. Além disso, observamos uma abundância de diferenças intra- e interespecíficas entre isolados, bem como casos de divergência entre as sequências de gene funcional e a proteína que codificam. Segundo os nossos resultados, a intensidade das reações enzimáticas de organismos e o seu grau de proximidade em termos de gene funcional não parecem estar relacionadas. As observações aqui compreendidas servirão de base a estudos de avaliação dos impactos das alterações globais na sobrevivência, diversidade funcional e capacidades de degradação das comunidades de AQH e, consequentemente, no funcionamento dos ecossistemas ribeirinhos.