Diversity of microbiomes associated with benthic invertebrates inhabiting Antarctic ecosystems

Growing studies on host-associated microbiomes are highlighting the important role of microbes in the development, health and fitness of their hosts. This might be particularly true in remote and extreme environments, such as the Antarctic ecosystem, where the host and its microbiome could evolve together establishing peculiar and close interactions. This study aims: i) to investigate the biodiversity of microbiomes of different Antarctic invertebrates, ii) to explore the potential sources of the host-associated microorganisms by comparing them with microbial communities inhabiting the surrounding sediments, and iii) to verify the role of environmental setting in shaping their taxonomic composition. Results revealed that microbiomes of Antarctic polychaetes (Leitoscoloplos geminus, Aphelocaeta palmeri, Aglaophamus trissophyllus) showing significant variability among individuals, but that both intra-specific and inter-specific core microbiomes contribute for a significant fraction to the whole microbial assemblage. Bacteria associated with polychaetes were completely different from those in the surrounding sediments, suggesting a potential vertical transmission or the presence of different adaptative/selective conditions of the two “habitats”. Multiple factors (i.e., not only environmental factors but also biological ones such as physiological state and feeding habits) can influence to different extent the taxonomic composition of microbiomes associated with Antarctic polychaetes. In the Antarctic sea star Odontaster validus, the geographic location was identified as the main factor influencing the taxonomic composition of microbiomes, but this was not a general rule. In fact, high similarities were found among microbiomes of individuals collected in different locations, suggesting the presence of other drivers able to select similar microbial communities. The presence of exclusive bacterial families in sea-star microbiomes suggests a potential horizontal transmission of bacterial taxa, probably acquired through different feeding habits that the sea star might have developed in the different basins. This PhD thesis provided new information on Antarctic microbiomes, highlighting a strong variability of their composition and complexity of the relationships with the investigated hosts, potentially due to, besides environmental settings, also to hosts’ biological features.

Il numero sempre più alto di studi condotti sui microbiomi ha evidenziato l’importanza che queste associazioni rivestono nello sviluppo, nella salute e nella fitness degli organismi con cui i microbiomi vivono associati. In ambienti estremi come l’Antartide, i microbiomi sembrano avere un’importanza cruciale nel creare interazioni fondamentali per l’adattamento dei loro ospiti. Gli obiettivi di questa tesi sono: i) studiare la biodiversità dei microbiomi associati a diversi invertebrati marini antartici, ii) esplorarne l’origine, confrontando i microbiomi associati agli organismi con le comunità batteriche che abitano nei sedimenti circostanti, e iii) verificare se i fattori ambientali svolgano un ruolo attivo nel modellare la loro composizione tassonomica. I risultati hanno mostrato che, nonostante i microbiomi associati ai policheti antartici (Leitoscoloplos geminus, Aphelocaeta palmeri, Aglaophamus trissophyllus) possano variare in modo significativo tra gli individui, è possibile individuare dei core, sia a livello intraspecifico sia interspecifico, che contribuiscono significativamente all'intera comunità batterica associata. I taxa batterici associati ai policheti sono completamente diversi da quelli presenti nei sedimenti circostanti, suggerendo una potenziale trasmissione verticale o diverse capacità adattative dei microbiomi ai due diversi “habitat”. Molteplici fattori (i.e., non solo fattori ambientali ma anche quelli biologici come lo stato fisiologico e le abitudini di alimentazione) influenzano, a diversi gradi, la composizione tassonomica dei microbiomi associati ai policheti antartici. Nella stella marina antartica Odontaster validus la posizione geografica è il principale fattore che spiega le differenze trovate nella composizione tassonomica dei microbiomi, sebbene siano state riscontrate alcune somiglianze tra individui raccolti in luoghi diversi, suggerendo la presenza di altri fattori in grado di selezionare comunità batteriche simili. La presenza esclusiva di batteri specifici associati a stelle marine che vivono in determinate aree suggerisce una potenziale trasmissione orizzontale dei microbiomi, probabilmente acquisiti attraverso diverse abitudini alimentari che le stelle marine hanno sviluppato nelle suddette aree. Questa tesi di dottorato fornisce nuove informazioni sui microbiomi antartici, evidenziando una forte variabilità della loro composizione e complessità delle relazioni con gli ospiti esaminati, potenzialmente dovute, oltre ai fattori ambientali, anche alle caratteristiche biologiche degli ospiti.