Date of Award

6-2024

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Environmental Science

Department

Biology

First Advisor

Dr. Sunil Mundra

Abstract

Arctic soils host diverse bacterial communities crucial for ecosystem functioning and nutrient cycling. Understanding the factors shaping their diversity and distribution is essential to assess ecosystem responses to climate warming. This study aimed to assess and compare bacterial diversity and community structure between high- and sub-arctic ecosystems and explore the environmental and climatic factors determining their distribution. We collected 16S rRNA gene amplicon sequence data from 999 samples of high- and sub-arctic soils. All the data was pre-processed and quality-controlled using a similar bioinformatics methodology, followed by statistical analyses including alpha and beta diversity assessments, and volatility analysis using QIIME2. High-arctic soils showed higher Shannon diversity and evenness compared to sub-arctic soils, with Shannon diversity increasing in the high-arctic with higher temperature and decreasing in the sub-arctic with rising temperatures. The Kruskal-Wallis results revealed significant differences in Shannon diversity index values between the high- and sub-arctic, and among the geographic groups. Shannon diversity was significantly lower in Canada compared to Greenland, Iceland, Russia, Sweden, and the USA. While Faith phylogenetic diversity results were contrasting with the Shannon index. The ordination analysis revealed three distinct clusters and suggested a gradual turnover in species composition between high- and sub-arctic soils. Further analyses showed that samples from Canada formed a distinct cluster, whereas Russia and Iceland were observed to have shared bacterial communities. Norway and USA soil bacterial communities appeared more dispersed. Proteobacteria dominated both high- and sub-arctic soils, with distinct taxonomic differences between them. Notably, Armatimonadota, Dependentiae, and Cyanobacteria, along with three other phyla, were found exclusively in sub-arctic soil at an abundance of over 1%. Overall, this study suggests that environmental factors like the difference in temperature plays an important role in shaping the distribution of bacteria in Arctic soil. However, its impact varies in both regions, and community patterns were found to be region-specific, influenced by local geographical conditions. Future studies should investigate additional environmental parameters, such as pH and soil moisture, and explore temporal dynamics to further assess bacterial communities' response to climate warming.

Arabic Abstract

تأثير العوامل البيئية والمناخية على تنوع وتوزيع المجتمعات البكتيرية في تربة القطب الشمالي

تحتضن تربة القطب الشمالي مجتمعات بكتيرية متنوعة ضرورية لعمل النظام البيئي ودورة المغذيات. يعد فهم العوامل التي تشكل تنوعها وتوزيعها أمًرا ضروريًا لتقييم استجابات النظام البيئي لظاهرة الاحتباس الحراري. تهدف هذه الدراسة إلى تقييم ومقارنة التنوع البكتيري وبنية المجتمع بين النظم الإيكولوجية في القطب الشمالي وشبه القطب الشمالي واستكشاف العوامل البيئية والمناخية التي تحدد توزيعها. قمنا بجمع بيانات تسلسل جينات rRNA 16S من 999 عينة من التربة في القطب الشمالي وشبه القطب الشمالي. تمت معالجة جميع البيانات مسبقًا ومراقبة الجودة باستخدام منهجية معلوماتية حيوية مماثلة، تليها تحليلات إحصائية بما في ذلك تقييمات تنوع ألفا وبيتا، وتحليل التقلب (volatility) باستخدام QIIME2. أظهرت التربة في القطب الشمالي العالي تنوعًا وتساويًا أعلى في شانون مقارنة بالتربة في شبه القطب الشمالي، مع زيادة تنوع شانون في أعلى القطب الشمالي مع ارتفاع درجة الحرارة وانخفاضه في شبه القطب الشمالي مع ارتفاع درجات الحرارة. كشفت نتائج كروسكال-واليس (Kruskal-Wallis) عن اختلافات كبيرة في قيم مؤشر تنوع شانون بين القطب الشمالي العالي وشبه القطب الشمالي، وبين المجموعات الجغرافية. كانت أقل بشكل ملحوظ في كندا مقارنة بجرينالند وأيسلندا وروسيا والسويد والولايات المتحدة الأمريكية، في حين كانت الاتجاهات متناقضة بالنسبة لتنوع Faith PD. كشف تحليل التنسيق عن ثلاث مجموعات متميزة من العينات واقترح حدوث دوران تدريجي في تكوين الأنواع بين التربة في شبه القطب الشمالي والقطب الشمالي العالي. وأظهرت تحليلات مماثلة أيضًا أن العينات المأخوذة من كندا شكلت مجموعة متميزة، في حين لوحظ أن روسيا وأيسلندا تشتركان في مجتمعات بكتيرية، وبدت المجتمعات البكتيرية في النرويج والولايات المتحدة الأمريكية أكثر تشتتًا. وهيمنت البكتيريا Proteobacteria على المنطقتين، مع وجود اختلافات تصنيفية واضحة بين التربة في القطب الشمالي وشبه القطب الشمالي. والجدير بالذكر أن Armatimonadota و Dependentiae و Cyanobacteria إلى جانب ثلاث شعب أخرى، وجدت حصريًا في تربة شبه القطب الشمالي بنسبة تزيد عن 1%. بشكل عام، تشير هذه الدراسة إلى أن العوامل البيئية مثل الفرق في درجة الحرارة تلعب دورًا مهمًا في تشكيل توزيع البكتيريا في تربة القطب الشمالي. ومع ذلك، فإن تأثيرها يختلف بين المنطقتين، وأنماط المجتمع خاصة بكل منطقة، وتتأثر بالظروف الجغرافية المحلية. يجب أن تبحث الدراسات المستقبلية في المعلمات البيئية الإضافية، مثل pH ورطوبة التربة، واستكشاف الديناميكيات الزمنية لمواصلة تقييم استجابة المجتمعات البكتيرية لظاهرة الاحتباس الحراري.

Download

Included in

Biology Commons

COinS