Stine Holm

• This thesis investigates how the permafrost microbiota responds to global warming. In detail, the constraints behind methane production in thawing permafrost were linked to methanogenic activity, abundance and composition. Furthermore, this thesis offers new insights into microbial adaptions to the changing environmental conditions during global warming. This was assesed by investigating the potential ecological relevant functions encoded by plasmid DNA within the permafrost microbiota. Permafrost of both interglacial and glacial origin spanning the Holocene to the late Pleistocene, including Eemian, were studied during long-term thaw incubations. Furthermore, several permafrost cores of different stratigraphy, soil type and vegetation cover were used to target the main constraints behind methane production during short-term thaw simulations. Short- and long-term incubations simulating thaw with and without the addition of substrate were combined with activity measurements, amplicon and metagenomic sequencing of permanently frozen andThis thesis investigates how the permafrost microbiota responds to global warming. In detail, the constraints behind methane production in thawing permafrost were linked to methanogenic activity, abundance and composition. Furthermore, this thesis offers new insights into microbial adaptions to the changing environmental conditions during global warming. This was assesed by investigating the potential ecological relevant functions encoded by plasmid DNA within the permafrost microbiota. Permafrost of both interglacial and glacial origin spanning the Holocene to the late Pleistocene, including Eemian, were studied during long-term thaw incubations. Furthermore, several permafrost cores of different stratigraphy, soil type and vegetation cover were used to target the main constraints behind methane production during short-term thaw simulations. Short- and long-term incubations simulating thaw with and without the addition of substrate were combined with activity measurements, amplicon and metagenomic sequencing of permanently frozen and seasonally thawed active layer. Combined, it allowed to address the following questions. i) What constraints methane production when permafrost thaws and how is this linked to methanogenic activity, abundance and composition? ii) How does the methanogenic community composition change during long-term thawing conditions? iii) Which potential ecological relevant functions are encoded by plasmid DNA in active layer soils? The major outcomes of this thesis are as follows. i) Methane production from permafrost after long-term thaw simulation was found to be constrained mainly by the abundance of methanogens and the archaeal community composition. Deposits formed during periods of warmer temperatures and increased precipitation, (here represented by deposits from the Late Pleistocene of both interstadial and interglacial periods) were found to respond strongest to thawing conditions and to contain an archaeal community dominated by methanogenic archaea (40% and 100% of all detected archaea). Methanogenic population size and carbon density were identified as main predictors for potential methane production in thawing permafrost in short-term incubations when substrate was sufficiently available. ii) Besides determining the methanogenic activity after long-term thaw, the paleoenvironmental conditions were also found to influence the response of the methanogenic community composition. Substantial shifts within methanogenic community structure and a drop in diversity were observed in deposits formed during warmer periods, but not in deposits from stadials, when colder and drier conditions occurred. Overall, a shift towards a dominance of hydrogenotrophic methanogens was observed in all samples, except for the oldest interglacial deposits from the Eemian, which displayed a potential dominance of acetoclastic methanogens. The Eemian, which is discussed to serve as an analogue to current climate conditions, contained highly active methanogenic communities. However, all potential limitation of methane production after permafrost thaw, it means methanogenic community structure, methanogenic population size, and substrate pool might be overcome after permafrost had thawed on the long-term. iii) Enrichments with soil from the seasonally thawed active layer revealed that its plasmid DNA (‘metaplasmidome’) carries stress-response genes. In particular it encoded antibiotic resistance genes, heavy metal resistance genes, cold shock proteins and genes encoding UV-protection. Those are functions that are directly involved in the adaptation of microbial communities to stresses in polar environments. It was further found that metaplasmidomes from the Siberian active layer originate mainly from Gammaproteobacteria. By applying enrichment cultures followed by plasmid DNA extraction it was possible to obtain a higher average contigs length and significantly higher recovery of plasmid sequences than from extracting plasmid sequences from metagenomes. The approach of analyzing ‘metaplasmidomes’ established in this thesis is therefore suitable for studying the ecological role of plasmids in polar environments in general. This thesis emphasizes that including microbial community dynamics have the potential to improve permafrost-carbon projections. Microbially mediated methane release from permafrost environments may significantly impact future climate change. This thesis identified drivers of methanogenic composition, abundance and activity in thawing permafrost landscapes. Finally, this thesis underlines the importance to study how the current warming Arctic affects microbial communities in order to gain more insight into microbial response and adaptation strategies.…
• Diese Dissertation untersucht die Reaktion der Permafrost-Mikrobiota auf die globale Erwärmung. Im Detail wurden mögliche Faktoren, die die Methanproduktion in tauendem Permafrost einschränken, im Zusammenhang methanogener Aktivität, Abundanz und Gemeinschaftszusammensetzung untersucht. Darüber hinaus bietet diese Dissertation neue Einblicke in mikrobielle Anpassungen an die sich ändernden Umweltbedingungen während der globalen Erwärmung. Dies wurde durch Untersuchung der potenziell ökologisch relevanten Funktionen bewertet, die von Plasmid-DNA innerhalb der Permafrost-Mikrobiota codiert werden. Permafrost, der seinen Ursprung in den Interglazialen und Glazialen aus dem Holozän bis zum späten Pleistozän, einschließlich des Eem, hat, wurde in Langzeit-Tau-Inkubationen untersucht. Darüber hinaus wurden mehrere Permafrostkerne mit unterschiedlicher Stratigraphie, Vegetationsbedeckung und unterschiedlichem Bodentyp verwendet, um die Faktoren, die die Methanproduktion während kurzfristiger Auftausimulationen bestimmen, zu ermitteln. Kurz-Diese Dissertation untersucht die Reaktion der Permafrost-Mikrobiota auf die globale Erwärmung. Im Detail wurden mögliche Faktoren, die die Methanproduktion in tauendem Permafrost einschränken, im Zusammenhang methanogener Aktivität, Abundanz und Gemeinschaftszusammensetzung untersucht. Darüber hinaus bietet diese Dissertation neue Einblicke in mikrobielle Anpassungen an die sich ändernden Umweltbedingungen während der globalen Erwärmung. Dies wurde durch Untersuchung der potenziell ökologisch relevanten Funktionen bewertet, die von Plasmid-DNA innerhalb der Permafrost-Mikrobiota codiert werden. Permafrost, der seinen Ursprung in den Interglazialen und Glazialen aus dem Holozän bis zum späten Pleistozän, einschließlich des Eem, hat, wurde in Langzeit-Tau-Inkubationen untersucht. Darüber hinaus wurden mehrere Permafrostkerne mit unterschiedlicher Stratigraphie, Vegetationsbedeckung und unterschiedlichem Bodentyp verwendet, um die Faktoren, die die Methanproduktion während kurzfristiger Auftausimulationen bestimmen, zu ermitteln. Kurz- und Langzeitinkubationen, die das Auftauen mit und ohne Zugabe von Substrat in Kombination mit Aktivitätsmessungen, Amplikon- und Metagenom-Sequenzierung von permanent gefrorenem und saisonal aufgetautem Boden simulieren, ermöglichten die Beantwortung folgender Fragen: i) Welche Faktoren hemmen die Methanproduktion beim Auftauen des Permafrosts und wie hängt dies mit der Aktivität, Abundanz und Zusammensetzung methanogener Organismen zusammen? ii) Wie verändert sich die Gemeinschaftszusammensetzung methanogener Organismen unter langfristigen Auftaubedingungen? iii) Welche potenziell ökologisch relevanten Funktionen werden von Plasmid-DNA in saisonal getauten Böden kodiert? Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit können wie folgt zusammengefasst werden. i) Die Methanproduktion in langfristig getautem Permafrost wird hauptsächlich durch die Anzahl der methanogenen Archaeen und ihrem Anteil innerhalb der Archaeen bestimmt. Ablagerungen, die in wärmeren Perioden mit erhöhtem Niederschlag gebildet wurden, reagierten am stärksten auf das Tauen und enthielten eine von Methanogenen dominierte Archaeen-Gemeinschaft. In Kurzzeitinkubationen mit ausreichender Verfügbarkeit von Substrat wurden die Populationsgröße der methanogenen Organismen und die Kohlenstoffdichte als Hauptprädiktoren für die potenzielle Methanproduktion beim Auftauen von Permafrost identifiziert. ii) Auch die paläoökologischen Bedingungen beeinflussen die Reaktion der methanogenen Gemeinschaft und Aktivität, wenn Permafrost taut. Es wurden erhebliche Verschiebungen innerhalb der Gemeinschaftsstruktur und ein Rückgang der Diversität in Ablagerungen beobachtet, die in wärmeren Perioden gebildet wurden, jedoch nicht bei Ablagerungen aus kälteren und trockeneren Perioden. Insgesamt wurde in allen Proben eine Verschiebung hin zu einer Dominanz von hydrogenotrophen Methanogenen beobachtet, mit Ausnahme der ältesten interglazialen Ablagerungen aus dem Eem, die eine potenzielle Dominanz von acetoklastischen Methanogenen aufwiesen. Das Eem, das als Analogon zu den aktuellen Klimabedingungen diskutiert wird, enthielt hochaktive methanogene Gemeinschaften. iii) Anreicherungen aus Boden der saisonalen Auftauschicht zeigten, dass die enthaltene Plasmid-DNA („Metaplasmidom“) Stress-Reaktions-Gene trägt. Insbesondere codierte die Plasmid-DNA Antibiotikaresistenzgene, Schwermetallresistenzgene, Kälteschock-proteine und Gene, für den UV-Schutz, also Funktionen, die direkt an der Anpassung mikrobieller Gemeinschaften an Stress in polaren Umgebungen beteiligt sind. Weiterhin stammten die Metaplasmidome der saisonalen Auftauschicht Sibiriens hauptsächlich von Gammaproteobakterien. Durch die Anreicherung von Kulturen, gefolgt von einer Extraktion der Plasmid-DNA, war es möglich, eine höhere durchschnittliche Contig-Länge und eine signifikant höhere Wiederherstellung von Plasmidsequenzen zu erhalten als durch Extrahieren von Plasmidsequenzen aus Metagenomen. Der in dieser Arbeit etablierte Ansatz zur Analyse von „Metaplasmidomen“ ist ein geeigneter Ansatz zur Untersuchung der ökologischen Rolle von Plasmiden in polaren Regionen insgesamt. Diese Dissertation hebt hervor, wie wichtig es ist, die Abundanz, Zusammensetzung und Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaft in Permafrost-Kohlenstoff-Projektionen einzubeziehen, und zwar nicht nur, da die mikrobiell vermittelte Methanfreisetzung aus Permafrostablagerungen das Potenzial hat, den zukünftigen Klimawandel erheblich zu beeinflussen. Vielmehr wurden in dieser Arbeit Abhängigkeiten methanogener Gemeinschaftsstrukturen, Abundanz und Aktivität identifiziert. Abschließend verdeutlicht diese Arbeit, wie wichtig es ist zu untersuchen, wie sich die derzeitige Erwärmung der Arktis auf mikrobielle Gemeinschaften auswirkt, um Einblicke in mikrobielle Reaktions- und Anpassungsstrategien zu erhalten.…