Patrones de sucesión a escala fina y mecanismos de ensamblaje de la comunidad bacteriana de las larvas de Litopenaeus vannamei a lo largo del ciclo de desarrollo

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Por: Yanting Wang, Kai Wang, Lei Huang, Pengsheng Dong, Sipeng Wang, Heping Chen, Zheng Lu, Dandi Hou y Demin Zhang *

Contribución de la Industria

Develar el mecanismo de ensamblaje de la microbiota del camarón puede ayudar a resolver el debate sobre si podríamos mejorar la tasa de éxito del cultivo del camarón mediante la manipulación de su microbiota. En este estudio, utilizamos la secuenciación de amplicones del gen 16S rRNA para investigar los procesos de sucesión y ensamblaje de la comunidad bacteriana larvaria de L. vannamei en una práctica acuícola realista con suficientes réplicas biológicas.

El cultivo del camarón blanco del Pacífico (Litopenaeus   vannamei), la especie más productiva de  la  industria  acuícola  mundial se ve restringido principalmente por la calidad inestable de  las larvas y los frecuentes brotes de enfermedades. La cría de larvas, que  abarca  las  fases  de  nauplio, zoea, mysis y postlarva temprana, es un proceso crucial que  determina en gran medida el éxito del cultivo del camarón blanco del Pacífico.

La calidad de las larvas está estrechamente relacionada con el crecimiento, el desarrollo y la resistencia al estrés/enfermedad de los camarones en las etapas posteriores  del cultivo. 

Develar el mecanismo de  ensamblaje  de la microbiota del camarón puede ayudar a resolver el debate sobre si podríamos mejorar la tasa de éxito del cultivo del camarón mediante la manipulación de su microbiota. Burns et al. descubrieron que la contribución de los procesos neutros al ensamblaje de las bacterias intestinales del pez cebra disminuía con el desarrollo del hospedador, mientras que la importancia de los procesos neutros en la conformación de las comunidades bacterianas intestinales aumenta con la edad del camarón (de post-larva a adulto) en la práctica del cultivo, pero disminuye con  el brote de la enfermedad.

Sin embargo, se sabe poco sobre la dinámica y la dependencia taxonómica de los procesos de ensamblaje de las bacterias en las larvas de camarón. En este estudio, utilizamos la secuenciación de amplicones del gen 16S rRNA para investigar los procesos de  sucesión  y  ensamblaje de la comunidad bacteriana larvaria de L. vannamei en una práctica acuícola realista con suficientes réplicas biológicas.

Se aplicó una estrategia de muestreo de alta frecuencia para recoger larvas de camarón (a partir de los huevos fecundados de una pareja de progenitores) y muestras de agua de cría en las fases de nauplio, zoea I, zoea II, zoea III, mysis y postlarvas tem- pranas durante 15 días. Utilizando análisis multivariantes, el modelo neutro y la predicción funcional, se pretende revelar:

  • La dinámica de la diversidad α-, la composición y los potenciales funcionales predichos de la comunidad bacteriana del camarón larvario con el desarrollo del huésped.
  • El patrón de sucesión taxonómica y filogenética de la comunidad bacteriana larvaria.
  • La  dinámica  y  la  dependencia  taxonómica  en   los   procesos de ensamblaje de las bacterias del camarón larvario a través de las etapas de desarrollo.
  • Hasta qué punto el plancton bacteriano del agua de cría puede influir en el ensamblaje de las bacterias de las larvas de camarón.

Resultados

Los índices de α-diversidad bacteriana de las larvas de camarón y del agua de cría mostraron una dramática variabilidad con  el  desarrollo del huésped. En general, la composición de los grupos bacterianos dominantes en los estadios de nauplio y postlarva fue más compleja que en otros estadios.

En general, la composición de la comunidad bacteriana de las larvas de camarón y del agua de cría se agrupó según las etapas de desarrollo:  grupo  I   (nauplios),   grupo II (zoea I  y  II),  grupo  III  (zoea III), grupo IV (mysis y postlarvas). La composición taxonómica de la comunidad bacteriana en las larvas y en el agua mostró trayectorias consecutivas distintas, mientras que las trayectorias de recambio filogenético de las dos comunidades se solaparon en cierta medida durante los subestados de zoea.

Observamos  una  baja   similitud taxonómica general, pero  una alta similitud filogenética entre las comunidades bacterianas de las larvas y del agua. Además, descubrimos que las comunidades bacterianas larvarias de  los  estadios zoea I-II y mysis mostraban mayores similitudes y/o más UOT compartidas con las comunidades bacterianas del agua del estadio anterior  en  comparación  con  las del mismo estadio.

El cultivo del camarón blanco del Pacífico (Litopenaeus vannamei), la especie más productiva de la industria acuícola mundial, se ve restringido principalmente por la calidad inestable de las larvas y los frecuentes brotes de enfermedades.”

Al asumir que la metacomunidad bacteriana de las larvas era la comunidad de origen, la  bondad del ajuste del modelo neutro mejoró en gran medida en comparación con el que asumió que el bacterioplancton era la fuente en todas las etapas, lo que sugiere que el intercambio de bacterias entre los individuos de las larvas era una fuente importante de las comunidades bacterianas de las larvas.

Cualquiera de las etapas, el ensamblaje de las bacterias larvarias estuvo gobernada por procesos neutros, y el modelo neutro se comportó mejor que el modo de distribución binomial, sugiriendo que, excepto la dispersión, la deriva ecológica y la limitación de la dispersión también  contribuyeron.

En general, los potenciales funcionales relevantes con el procesamiento de la  información genética se enriquecieron en los camarones nauplios en comparación con las larvas en las etapas posteriores a  la  apertura  de  la  boca,  mientras que muchos potenciales relevantes para el metabolismo, se enriquecieron en las larvas  después de la apertura de la  boca. Sin embargo, algunos potenciales relevantes para el metabolismo mostraron una tendencia a  la  baja en la fase de postlarva temprana.

Como grupo bacteriano predominante en las fases de zoea  y mysis, se predijo que la familia Rhodobacteraceae era la que más contribuía a los potenciales funcionales de  la  comunidad  bacteriana de las larvas de camarón.

Discusión

El patrón en forma de U de la diversidad α bacteriana larvaria con el desarrollo del huésped.

Como las larvas son demasiado pequeñas para obtener sus intestinos, la microbiota larvaria debería proceder principalmente del tracto intestinal y de la fracción adherida a la epidermis. En la fase de nauplio, con la liberación de los nutrientes de la yema y el aumento de la superficie  de  la  epidermis, la comunidad bacteriana larvaria podría proceder principalmente de los huevos fecundados y de la adhesión a la epidermis, manteniendo así una diversidad relativamente alta.

Cuando las larvas empezaron a comer en la fase de zoea I, su microbiota intestinal empezó a formarse, mientras que las larvas imponían la reagrupación de la comunidad bacteriana larvaria.

La gran variabilidad de la composición de la comunidad bacteriana podría deberse al reclutamiento por parte del hospedador de diferentes grupos funcionales para satisfacer sus necesidades fisiológicas.

Aunque un punto de vista ha sugerido que la mayor diversidad microbiana no corresponde necesariamente a un ecosistema más estable y saludable, a menudo se considera que la  alta  diversidad tiene la capacidad de mantener la estabilidad y la  función  ecológica de la comunidad  microbiana, siendo así un indicador importante del estado de salud del huésped. Estos estudios sugieren que una alta diversidad bacteriana podría ser una señal positiva  para  mantener el crecimiento, la salud y la resistencia al estrés de los camarones.

La composición de la comunidad bacteriana larvaria varía con el desarrollo del hospedador

La estrategia de muestreo de alta frecuencia facilitó la revelación de  un  patrón  altamente  dinámico de las comunidades bacterianas larvarias. Las  larvas  de  camarón con un  sistema  digestivo  inmaduro podrían  depender  parcialmente de  la  ayuda  de  las  bacterias  para la digestión de los alimentos y el metabolismo de los nutrientes,  lo que se corresponde con el enriquecimiento de los potenciales metabólicos de múltiples materias  orgánicas en la microbiota de las larvas de camarón tras la apertura de la boca.

Así, la gran variabilidad de  la  composición  de la comunidad bacteriana podría deberse al reclutamiento por  parte del hospedador de diferentes grupos funcionales para satisfacer sus necesidades fisiológicas.

La abundancia relativa de Rhodobacteraceae en la comunidad bacteriana intestinal de individuos sanos de L. vannamei suele ser mayor que la de los enfermos y muestra una relación antagónica con patógenos potenciales como Vibrio.

Los cambios en el estado fisiológico, el modo de ingesta nutricional y la fuente microbiana entre las  etapas  previas  y  posteriores  a la apertura de la boca probablemente condujeron a diferencias dramáticas en las comunidades bacterianas larvales.

La predicción funcional mostró que la familia Rhodobacteraceae contribuyó en gran  medida  a  los  potenciales  en la biosíntesis y el metabolismo de múltiples materias orgánicas después de la  apertura  de  la  boca de las larvas, lo que indica que pueden participar en el metabolismo  de  las   materias   orgánicas en el tracto  digestivo  de  las  larvas y/o proporcionar nutrientes esenciales para el crecimiento del huésped.

La abundancia relativa de Rhodobacteraceae en la comunidad bacteriana intestinal de individuos sanos de L. vannamei suele ser mayor  que  la  de  los  enfermos y muestra una relación antagónica con patógenos potenciales como Vibrio.

También se observó una mayor abundancia relativa de Rhodobacteraceae en el tracto intestinal de la cepa resistente al frío de L. vannamei en relación con la cepa vulnerable al frío.  En conjunto, especulamos que el drástico enriquecimiento de Rhodobacteraceae tras  la  apertura de la boca de las larvas, puede desempeñar un papel  positivo en la promoción de la digestión, el suministro de nutrientes y la inhibición de patógenos.

Los procesos neutros dominaron el ensamblaje de las bacterias larvarias

Las comunidades bacterianas larvarias proceden principalmente de la metacomunidad larvaria, mientras que la comunidad de bacterioplancton acuático sólo contribuyó en cierta medida en los subestados de zoea. Estos resultados sugieren que el ensamblaje de las bacterias larvarias depende en  general, de los intercambios entre individuos a través de  la  alimentación  cruzada de heces y/o bioflocs.

Además, las composiciones  de las OTU distribuidas de forma neutra o que se desvían de la  predicción neutra entre las etapas de pre y post apertura de la boca fueron dramáticamente diferentes. Estos resultados ponen de  manifiesto el notable patrón   de   sucesión   y la dinámica en los procesos de ensamblaje de las comunidades bacterianas larvarias, lo que  subraya la importancia de la fase de apertura de la boca de las gambas larvales desde el punto de vista ecológico.

También  encontramos  el  agua de cría como fuente de la comunidad bacteriana larvaria en tres subetapas de la zoea, que puede considerarse como el inicio del establecimiento de la microbiota intestinal larvaria.

Estos resultados sugieren que el ensamblaje de las bacterias larvarias depende en general, de los intercambios entre individuos a través de la alimentación cruzada de heces y/o bioflocs.

Por otra parte, la  regulación  de la microbiota de las larvas mediante la gestión  microbiana  del  agua de cría en la práctica de la acuicultura debería ponerse en marcha antes de la apertura de la boca de las larvas de camarón.

Si se toma el bacterioplancton como  fuente  para  el  ajuste del modelo neutro, la abundancia relativa de las OTU distribuidas de forma neutra y la tasa de migración disminuyeron gradualmente  durante los subestadios de zoea, lo que indica que el proceso dominante que gobierna la colonización del bacterioplancton en las comunidades larvales pasó de la dispersión a la selección del huésped.

Saber qué bacterias se seleccionan y tienen la capacidad de persistir en un huésped es vital a la hora  de  seleccionar  candidatos a probióticos. Los taxones mencionados anteriormente pueden ser buenos candidatos a probióticos potenciales porque tienen una mayor posibilidad de colonización.

Conclusiones generales

Dada la selección positiva de hospedadores para los taxones de Rhodobacteraceae del agua de cría durante la fase de zoea y su persistente dominio y gran contribución potencial al metabolismo de las materias orgánicas tras la apertura de la boca de las larvas, sugerimos que Rhodobacteraceae podría ser crucial en el crecimiento de  las larvas de camarón y, por tanto, ser una fuente potencial de candidatos probióticos para la  cría  de larvas.

En conjunto, los patrones de sucesión y el mecanismo de ensamblaje de las bacterias de las larvas de camarón que hemos revelado aquí destacan la importancia de la etapa de apertura de la boca desde la perspectiva de la ecología microbiana, indicando la posibilidad y el momento de la gestión microbiana del agua de cría para la regulación de la microbiota larval y la prevención  de  patógenos  en  la  práctica de los viveros de camarones.

*Esta es una versión divulgativa del artículo original titulado “Fine-scale succession patterns and assembly mechanisms of bacterial com- munity of Litopenaeus vannamei larvae across the developmental cycle” autoría de Yanting Wang, Kai Wang, Lei Huang, Pengsheng Dong, Sipeng Wang, Heping Chen, Zheng Lu, Dandi Hou y Demin Zhang, publicado bajo una licencia de uso de creative commons 4.0. La version original se puede consultar en línea a través de este enlace: https://doi.org/10.1186/s40168- 020-00879-w

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