Seasonality of marine prokaryotes using taxonomic and functional diversity approaches

Abstract

Els oceans són ecosistemes dominats per microbis, i els bacteris i els arqueus hi juguen papers clau en els cicles biogeoquímics. En oceans temperats, els canvis estacionals determinen la composició del microbioma a través de les adaptacions de nínxol de les diferents espècies. En aquesta tesi he analitzat l’estacionalitat del microbioma marí usant una sèrie temporal de llarga durada obtinguda a l’Observatori Microbià de la Badia de Blanes per entendre els canvis estacionals mitjançant di verses aproximacions moleculars. A partir de seqüències d’amplicons del gen de l’RNA ribosòmic (16S) he avaluat la dinàmica estacional dels principals grups bacterians durant onze anys, exami nant com són de similars els nínxols temporals de taxons relacionats estretament, i quins són els paràmetres que modulen els seus patrons d’estacionalitat. També he explorat com de conservat és aquest nínxol en els nivells taxonòmics més alts. La comunitat presenta patrons estacionals de recurrència en 297 de les 6725 variants d’amplicons que apareixen, la qual cosa suposa gairebé la meitat de l’abundància relativa total (47%) de seqüències. Per a determinats gèneres, la similitud de nínxol disminueix amb l’increment de divergència en nucleòtids del gen del 16S rRNA, un patró compatible amb selecció de taxons similars per mitjà del filtratge ambiental. També he observat diferents patrons estacionals entre taxons del mateix gènere. A continuació vaig centrar l’anàlisi en els patrons estacionals d’un grup funcional concret. Utilitzant el gen pufM com a marcador dels bacteris aeròbics anoxigènics fotoheterotròfics −un grup funcional rellevant a la xarxa tròfica mari na− he avaluat les seves dinàmiques temporals a través d’anàlisis multivariants i de co-ocurrència. El filogrup K (Gammaproteobacteria) és el grup dominant a l’estructura de la comunitat durant totes les estacions de l’any, amb els filogrups E i G (Alphaproteobacteria) dominants durant la primavera. Els índexs de diversitat presenten un patró estacional clar, amb els valors màxims durant l’hivern i presentant una relació inversa amb l’abundància. Després vam ampliar aquest anàlisi a 21 fun cions biogeoquímiques fent ús de set anys de dades metagenòmiques de l’observatori de Blanes. La majoria dels gens presenten un patró estacional d’abundància: els processos fotoheterotròfics enriquits durant la primavera, els gens relacionat amb l’adquisició de fòsfor dominant durant l’estiu coincidint amb una major limitació de fòsfor, i els enzims de reducció assimilatòria de nitrat correla cionant negativament amb la disponibilitat de nitrat. També he identificat els taxons principals que contenen cada gen funcional, i he demostrat que, per alguns grups, l’estacionalitat a nivell de família és diferent de la del seu repertori gènic, indicant que els taxons dins del mateix grup presenten es pecialització funcional. Finalment, he complementat la visió descriptiva dels canvis temporals amb experiments de manipulació per avaluar com els processos bottom-up i top-down influencien la selecció d’organismes durant les diferents estacions. He modificat experimentalment la presència de depredadors, de virus, la limitació per nutrients (diluint les mostres amb aigua sense microorga nismes) i la llum en mostres de la Badia de Blanes en diferents estacions i he avaluat el creixement de diferents organismes definits a partir de genomes construïts a partir de metagenomes (MAGs, de les sigles en anglès). Vaig recuperar 262 MAGs, principalment de les classes Rhodobacterales, 24 Seasonality of marine prokaryotes using taxonomic and functional diversity approaches Flavobacteriales i Alteromonadales. L’estació de l’any i el tractament influeixen la composició de la comunitat, amb el 26% dels MAGs identificats com a indicadors dels tractaments control, el 24% indicant tant el tractament control com el de reducció de depredadors, el 12.8% indicant tant el tractament de reducció de virus com el tractament diluït, i el 7.3% indicant el tractament de reducció de depredadors. Els MAGs afiliats a Flavobacteriaceae creixien majoritàriament al tractament amb reducció de depredadors, amb diferents espècies a cada estació, mentre que les especies afiliades a Alteromonadaceae i Sphingomonadaceae creixien preferentment als tractaments de reducció víri ca i diluït indistintament de l’estació. En termes generals, aquesta tesi presenta nous resultats sobre els patrons estacionals de grups taxonòmics i funcionals rellevants a l’oceà costaner superficial per mitjà de la integració d’informació obtinguda usant diverses tècniques moleculars i diverses aproximacions experimentals aplicades a sèries temporals de llarga durada.

The oceans are ecosystems dominated by microbes, in which bacteria and archaea play key roles in biogeochemical cycling. In temperate oceans, seasonal changes in environmental conditions deeply influence the marine microbiome. In this thesis I analyzed the seasonality of the marine microbiome in a coastal ocean site, using the long-term time series of the Blanes Bay Microbial Observatory (BBMO) to understand the seasonal changes through several molecular approaches. Using amplicons of the 16S rRNA gene, I evaluated the dynamics of the main bacterial groups in this coastal oligotrophic station during 11 years and tested how similar the temporal niches of closely related taxa are, and what are the environmental parameters modulating their patterns of seaso nality. I further explored how conserved the niche is at higher taxonomic levels. The community presented recurrent patterns of seasonality for 297 out of 6825 amplicon sequence variants (ASVs), which constituted almost half of the total relative abundance (47%). For certain genera, niche si milarity decreased as nucleotide divergence in the 16S rRNA gene increased, a pattern compatible with the selection of similar taxa through environmental filtering. Additionally, I observed evidence of seasonal differentiation within various genera as seen by the distinct seasonal patterns of clo sely related taxa. I then switched the focus to the seasonal patterns of a specific functional group. Using the pufM gene as a marker gene for the aerobic anoxygenic phototrophic bacteria (AAPs) −a relevant photoheterotrophic functional group in the marine microbial food web− I evaluated their long-term temporal dynamics through multivariate and co-occurrence analyses. Phylogroup K (Gammaproteobacteria) was the greatest contributor to community structure over all seasons, with phylogroups E and G (Alphaproteobacteria) being prevalent in spring. The diversity indices showed a clear seasonal trend, with maximum values in winter, which was inverse to that of AAP abundance. I later extended these analyses to 21 biogeochemical relevant functions through 7 years of metagenomic data from the BBMO. Most genes presented a seasonal abundance trend: photoheterotrophic processes were enriched during spring, phosphorous-related genes were do minant during summer coinciding with phosphate limitation conditions, and assimilatory nitrate reductases correlated negatively with nitrate availability. Additionally, I identified the main taxa dri ving each function in each season and showed that, for some groups, the seasonality of bacterial families is different than that of their gene repertoire, so that different taxa within the same group present different functional specialization. Finally, I complemented this descriptive view of the tem poral changes with manipulation experiments to test how bottom-up and top-down factors exert selection on specific bacterial genomic species over the seasons. I experimentally modified the presence of predators, viruses, nutrient limitation (by diluting the samples with filtered seawater) and light availability in seawater from the BBMO in different seasons and assessed the growth of different organisms defined by metagenome assembled genomes (MAGs) under the manipulated conditions. Overall, I recovered 262 MAGs mainly from the Rhodobacterales, Flavobacteriales and Alteromonadales classes. Season and treatment greatly influenced community composition, with 22 Seasonality of marine prokaryotes using taxonomic and functional diversity approaches 26% of the MAGs indicative of the control treatments, 24% of both the control and predator-reduced treatments, 12.8% indicators of both the virus-reduced and the diluted treatments, and 7.3% of the predator-reduced treatment only. Flavobacteriaceae MAGs developed mostly in the predator-redu ced treatment with distinct species at each season, whereas Alteromonadaceae and Sphingomo nadaceae taxa developed preferably in the virus-reduced and diluted treatments indistinctively of season. Overall, this dissertation provides new insights into the seasonal patterns of key taxono mic and functional groups from the coastal surface ocean through the integration of information obtained using several molecular techniques and approaches applied to a long-term time series.