FUSIONE DEL GHIACCIO E IMPLICAZIONI SU INTERAZIONI VIRUS-OSPITE E DIVERSITÀ DELLE COMUNITÀ MICROBICHE NEGLI ECOSISTEMI MARINI

Antarctica is characterized by the largest extent of sea ice in the world, with subzero temperatures and extreme living conditions. Within the sea ice, microbial communities thrive, including prokaryotes, protists, phytoplankton, and viruses, particularly in the channels that form at the ice-water interface. The temperature increases recorded in recent decades are accelerating the melting of ice, including Antarctic ice, with significant implications for ecosystem functioning. Among the various implications of Antarctic ice melting, the release of different biological components, including viruses and sympagic prokaryotes, into the underlying water could have multiple effects on biodiversity and ecosystem functions. Our study aims to assess whether the melting of Antarctic ice in the Ross Sea could alter virus-host interactions and the composition of microbial communities in the ice and seawater, with potential consequences for Antarctic marine ecosystem biodiversity and functioning. To achieve these objectives, experiments were conducted simulating a temperature increase of +2.5°C as predicted by the IPCC for 2100 and the melting of ice in seawater. The viral and prokaryotic abundance, viral production, viral infection rates, and taxonomic composition of prokaryotic communities were evaluated before and after the melting of Antarctic ice. The results indicate that microbial and viral communities are more abundant in sea ice than in the surrounding waters and that the increase in temperature leads to a decrease in viral production and infection rates, especially in the ice (up to four times). Additionally, we estimated that about half of the viral and prokaryotic abundances present in the ice are released into seawater after melting, and while a fraction of <0.2 µm sympagic viruses continues to actively infect planktonic prokaryotes, the "giant" ice viruses (>0.2 µm, presumably sympagic algal viruses), not finding specific hosts or ideal conditions in seawater, lose their infective capacity. Furthermore, our results show that the temperature increase causes a shift in the microbial community composition in both water and ice and that the melting of ice and the release of sympagic viruses significantly affect planktonic microbial communities. Specifically, metabarcoding data reveal a decrease in the relative abundance of certain taxa, including Polaribacter and Clade-Ia, driven by viruses and temperature. These taxa play a key role in the decomposition of algal biomass, so a shift in their relative abundance could impact the organic matter remineralization cycles in Antarctic ecosystems. Overall, considering the observed results, we can affirm that the melting of Antarctic sea ice, due to temperature increases, exerts a significant influence on virus-prokaryote interactions in the water column and the diversity of prokaryotic communities. Predicting the effects of global warming on the biodiversity and functioning of polar ecosystems is essential for identifying adaptive management plans and making informed decisions to mitigate these effects.

L’Antartide è caratterizzato dalla più vasta estensione di ghiaccio marino al mondo con temperature sottozero e condizioni di vita estreme. All’interno del ghiaccio marino prosperano comunità microbiche caratterizzate da procarioti, protisti, fitoplancton e virus, in particolare nei canali che si creano nell’interfaccia ghiaccio-acqua. L'aumento delle temperature registrate negli ultimi decenni sta accelerando sempre di più la fusione dei ghiacci, inclusi quelli Antartici, con enormi implicazioni sul funzionamento degli ecosistemi. Tra le varie implicazioni della fusione del ghiaccio antartico, il rilascio delle diverse componenti biologiche, inclusi virus e procarioti simpagici, nell’acqua sottostante, potrebbe determinare effetti molteplici su biodiversità e funzioni degli ecosistemi marini. Il nostro studio ha lo scopo di valutare se la fusione dei ghiacci antartici nel Mare di Ross possa alterare le interazioni virus-ospite e la composizione delle comunità microbiche nel ghiaccio e nell’acqua di mare con possibili conseguenze sulla biodiversità e il funzionamento dell’ecosistema marino antartico. Per raggiungere questi obiettivi sono stati effettuati degli esperimenti simulando un aumento di temperatura di +2.5°C come previsto dall’IPCC per il 2100 e lo scioglimento del ghiaccio nell’acqua di mare. Sono stati valutati l'abbondanza virale e procariotica, la produzione virale, i tassi di infezione virale e la composizione tassonomica delle comunità procariotiche prima e dopo lo scioglimento dei ghiacci antartici. I risultati indicano che le comunità microbiche e virali sono più abbondanti nel ghiaccio marino rispetto alle acque circostanti e che l’aumento della temperatura determina una diminuzione della produzione virale e dei tassi di infezione virale, in particolare nel ghiaccio (fino a 4 volte). Inoltre, abbiamo stimato che circa la metà delle abbondanze virali e procariotiche presenti nel ghiaccio viene rilasciata nell’acqua di mare dopo la fusione e che mentre una frazione di virus simpagici di dimensioni < 0.2 µm continua ad infettare attivamente i procarioti planctonici, i virus “giganti” del ghiaccio (di dimensioni > 0.2 µm, presumibilmente virus di alghe simpagiche), non trovando ospiti specifici o condizioni ideali in acqua di mare, perdono la loro capacità infettiva. In aggiunta, i nostri risultati mostrano che l’aumento di temperatura determina uno shift nella composizione della comunità microbica sia nell’acqua sia nel ghiaccio e che lo scioglimento dei ghiacci e il rilascio di virus simpagici hanno effetti rilevanti sulle comunità microbiche planctoniche. In particolare, i dati di metabarcoding rivelano una diminuzione dell’abbondanza relativa per alcuni taxa, tra cui Polaribacter e Clade-Ia, guidata da virus e temperatura. Questi taxa giocano un ruolo chiave nella decomposizione della biomassa algale, per cui uno shift nella loro abbondanza relativa potrebbe avere un impatto sui cicli di remineralizzazione della materia organica negli ecosistemi antartici. Complessivamente, considerando i risultati osservati, possiamo affermare lo scioglimento del ghiaccio marino antartico, dovuto all’ aumento delle temperature, esercita un'influenza significativa sulle interazioni virus-procarioti in colonna d’acqua e sulla diversità delle comunità procariotiche. Prevedere gli effetti del riscaldamento globale su biodiversità e funzionamento degli ecosistemi polari è essenziale per identificare piani di gestione adattativa e definire decisioni informate per la mitigazione di tali effetti.