En escenarios actuales de cambio global en el clima, existe incertidumbre sobre sus consecuencias en procesos ecosistémicos mediados por microorganismos (e.g fijación y liberación de gases de invernadero). Por ello, el objetivo de la propuesta es evaluar la participación de la composición de las comunidades microbianas (procariontes) de costras biológicas de suelos áridos (CBS) y de las condiciones ambientales (clima) en la respuesta funcional de dichas comunidades, enfocándose en el estudio de la fijación de nitrógeno (N) como variable de respuesta, mediante observaciones de campo, experimentos de laboratorio y análisis genómicos y funcionales. Las CBS son la íntima asociación entre partículas del suelo, cianobacterias, algas, micromicetos, líquenes y briofitas, en los milímetros superficiales del suelo. Se propone estudiar las CBS de dos sitios áridos contrastantes en patrones de temperatura-precipitación (estacionalidad de lluvias), localizados en los estados de Coahuila y Baja California. Se seguirá un enfoque analítico multivariado para los datos de diversidad de las CBS y las condiciones ambientales de campo y, adicionalmente, se seguirá una aproximación experimental en laboratorio en un diseño de mesocosmos en jardín común (distingue la contribución relativa de la composición y de las condiciones ambientales en la respuesta funcional de las comunidades ante cambios ambientales). Se usará información taxonómica (a nivel morfológico y molecular), genética y funcional de comunidades naturales con análisis de diversidad independientes de cultivo. Los métodos estarán basados en (i) marcadores moleculares (gen 16S rRNA y nifH) para describir la diversidad bacteriana total y del grupo funcional de interés; (ii) rt-qPCR para determinar la funcionalidad de la comunidad a través de la expresión de uno de los genes del operón de la nitrogenasa (nifH); (iii) ensayo bioquímico para estimar la fijación de N. Las actividades planeadas comprenden 24 meses, en cuatro etapas semestrales. En la Etapa 1 se tomarán datos de campo, muestras de CBS y se establecerán mesocosmos en jardín común. Todas las muestras serán procesadas para obtención de DNA y RNA totales. En la Etapa 2 se caracterizará la composición y función de las CBS de campo y se elaborarán informes. En la Etapa 3 se caracterizará la composición y función de de mesococosmos. En la Etapa 4 se elaborarán informes, tesis y manuscritos. Se mantendrá colaboración con investigadores expertos en ecología microbiana de sistemas áridos del Instituto de Ecología (IE), UNAM (Dra. V.Souza), en ecosistemas áridos del ITSON (Dr. E. Yépez), en flujos de C y N de ecosistemas terrestres (Dr. R. Vargas, U Delaware), en taxonomía de cianobacterias y en el modelo de CBS de la FES Iztacala y Facultad de Ciencias, UNAM (Dr. V. Rivera-Aguilar y Dr. E. Novelo). Se involucrará a dos estudiantes de licenciatura y uno de posgrado para la realización de sus tesis. El trabajo de laboratorio se realizará en las instalaciones del IE-UNAM. Esta propuesta sentará las bases teóricas y prácticas que impulsen investigaciones más amplias, sin precedentes en México, al extenderse a funciones ecosistémicas dentro del ciclo del C, N, fósforo y azufre. La información derivada de estos estudios contribuirá a i) el entendimiento integral de las diferentes dimensiones de la biodiversidad (genes, especies, ecosistemas), ii) mejorar predicciones funcionales de ecosistemas como consecuencia de cambios en la biodiversidad, y iii) impactar políticas ambientales con la incorporación de información sobre la diversidad microbiana.

CONTRIBUCIÓN E INNOVACIÓN DEL PROYECTO. Esta propuesta se basa en la siguiente pregunta: ¿Qué consecuencias funcionales tienen los cambios ambientales, particularmente temperatura-precipitación y composición de las comunidades procariontes fijadoras de N de costras microbianas en ecosistemas áridos y semiáridos? Tanto la pregunta sobre la relación biodiversidad y funcionalidad de comunidades microbianas como el contexto del estudio (sistemas áridos de México) son innovadores y contribuirán: i) al conocimiento general de la biodiversidad mexicana, particularmente de ecosistemas áridos y su microbiota procarionte (aspectos de los que se sabe muy poco); ii) al entendimiento integral de las diferentes dimensiones de la biodiversidad (genes, especies, ecosistemas); iii) a mejorar predicciones funcionales de ecosistemas como consecuencia de alteraciones en la biodiversidad. Por otra parte, los resultados derivados de estas investigaciones tienen el potencial de ampliarse a diversas funciones ecosistémicas mediadas por microorganismos e impactar políticas ambientales con la incorporación de información sobre diversidad microbiana y la relación que guardan perturbaciones ambientales con su funcionamiento y directa relación con procesos de impacto global (e.g. la captura de C y el ciclo del N en el suelo). Para responder con detalle a la cuestión respecto a la relación entre diversidad procarionte y función ecosistémica, los experimentos planteados en el proyecto probarán si la estructura de las comunidades bacterianas (taxonómica y funcional) difiere entre localidades y si la redundancia funcional dentro de las mismas puede amortiguar el efecto de cambios taxonómicos en la función ecosistémica. Se espera que, dado que la estructura taxonómica y funcional de las comunidades bacterianas es resultado de procesos históricos, comunidades originalmente distintas respondan de manera particular a perturbaciones ambientales y que su capacidad de resiliencia esté limitada por su propia historia evolutiva (sitio de origen). La estrategia metodológica para abordar estas cuestiones seguirá un enfoque analítico multivariado para datos de diversidad de las CBS y las condiciones ambientales de campo y, adicionalmente, se seguirá una aproximación experimental en laboratorio en un diseño de mesocosmos en jardín común (distingue la contribución relativa de la composición y de las condiciones ambientales en la respuesta funcional de las comunidades ante cambios ambientales). Debido a la gran diversidad microbiana en el suelo, la investigación se centrará en el estudio de una función ecosistémica particular (fijación de N). Los métodos estarán basados en (i) marcadores moleculares (gen 16S rRNA y nifH) para describir la diversidad bacteriana total y del grupo funcional de interés; (ii) rt-qPCR para determinar la funcionalidad de la comunidad a través de la expresión de uno de los genes del operón de la nitrogenasa (nifH); (iii) ensayo bioquímico para estimar la fijación de N. De esta manera, el proyecto propuesto representa, el punto de partida de una línea de investigación innovadora, sin precedentes en México y enfocada en la relación entre diversidad, función y adaptabilidad ante cambios ambientales de comunidades procariontes. Se espera que esta propuesta siente las bases metodológicas y conceptuales que impulsen investigaciones de mayor amplitud y hacia otras funciones ecosistémicas dentro del ciclo de C, N, P o S, que contribuirán al entendimiento integral de las diferentes dimensiones de la biodiversidad (genes, especies, ecosistemas) en escenarios actuales de cambio global. IMPACTO A LARGO PLAZO Y CONTRIBUCIÓN A LA SOCIEDAD. Tanto la línea de investigación en la que se enmarca esta propuesta como la propuesta misma, contribuyen a los recientes esfuerzos en el ámbito científico por aportar información rigurosa al ámbito de políticas públicas para mitigar y adaptarse a problemas ambientales. Esto implica que la información básica derivada de estas investigaciones se aplique en áreas de gran importancia social como ciclos biogeoquímicos de impacto en cambio climático global (C, N, S). Los ecólogos de plantas se han involucrado ya en estos esfuerzos y ahora comienzan esfuerzos desde el ámbito de la ecología microbiana en este sentido (ecología de suelos y oceánica) y esta propuesta es una clara contribución a estos esfuerzos. FACTIBILIDAD DEL PROYECTO. El financiamiento del presente proyecto impulsará el desarrollo de la línea de investigación y ayudará a conseguir los recursos para el nuevo laboratorio de la investigadora responsable, incluyendo la compra de instrumentación, y de reactivos para trabajo molecular, así como para realizar salidas de campo, que serán cruciales en el esquema metodológico propuesto. Los colaboradores del proyecto tienen una formación complementaria, lo cual será clave en la integración de información de las diferentes dimensiones de la biodiversidad (genes, especies, ecosistemas). En el proyecto se ha involucrado a expertos ecología microbiana molecular de ambientes naturales y sistemas áridos del Instituto de Ecología de la UNAM (Dra. Valeria Souza), expertos en ecosistemas áridos del Instituto Tecnológico de Sonora (Dr. Enrico Yépez), en flujos de C y N en ecosistemas terrestres (D. Rodrigo Vargas, University of Delaware), en taxonomía de cianobacterias terrestres (componente dominante de CBS y del grupo de fijadoras de N) y en el modelo de CBS de la FES Iztacala y Facultad de Ciencias de la UNAM (Dr. Víctor Rivera Aguilar y Dr. Eberto Novelo). Ya se han involucrado a dos estudiantes de licenciatura y a uno de posgrado para la realización de sus tesis. La investigadora responsable ha estudiando poblaciones y comunidades procariontes de ecosistemas mexicanos desde el inicio de su doctorado (hace 10 años), y ha publicado artículos y dirigido una tesis de licenciatura demostrando su conocimiento y su capacidad técnica en las áreas de ecología microbiana y molecular. El proyecto es novedoso y realizable, ya que el Instituto de Ecología cuenta con la infraestructura física para llevarlo a cabo, y porque la investigadora responsable conoce muy bien las estrategias de análisis pertinentes para este trabajo. Prueba de ello es el éxito que se ha tenido, durante el último año con pruebas piloto de los ensayos propuestos. Se han logrado aislar exitosamente ácidos nucleicos (DNA y RNA) de muestras de los dos sitios de estudio propuestos, del mismo modo, tanto los genes 16S rDNA, como nifH se han amplificado adecuadamente, se ha implementado el ensayo de reducción de acetileno, y se ha verificado la presencia de cianobacterias filamentosas y cocoides en ambos ecosistemas tanto con marcadores moleculares como con observaciones microscópicas y cultivo. Aquellas áreas en las que pudieran presentarse dificultades técnicas serán apoyadas por expertos (taxonomía de cianobacterias, flujos de C y N, técnicas de isótopos estables).