Population dynamics, interactions and evolution of marine microbes using genomic approaches

Abstract

(English) There is a myriad of microorganisms on Earth contributing to global biogeochemical cycles. In the surface ocean, the smallest microbes (picoplankton) are responsible for an important fraction of the total atmospheric carbon and nitrogen fixation. The ocean picoplankton encompasses both prokaryotes (bacteria and archaea) and tiny unicellular eukaryotes (protists). Despite their overall importance for the functioning of the biosphere, many questions remain unanswered on their biogeography, population dynamics, interactions, and evolution. Answering these questions is essential in the context of global change, as alterations of the ocean microbiome could impact the function of multiple ecosystems. In this thesis, we aim at reducing the knowledge gap on the above topics through the application of High-Throughput Sequencing (HTS) and genomic approaches, using data collected during the circumglobal Tara Oceans and Malaspina-2010 expeditions, as well as at the Gulf of Maine (North Atlantic), and two Northwestern Mediterranean coastal microbial observatories (BBMO and SOLA stations). Chapters 1 and 2 are dedicated to a small protistan group of heterotrophic flagellates (HF): the Marine Stramenopiles (MAST)-4, relevant during picoplankton grazing and nutrient remineralization. Due to its widespread distribution and relatively high abundance, MAST-4 has become a target group of microbes to study HF. Unfortunately, MAST-4 remains uncultured. We investigated four evolutionary-related species of MAST-4 (species A, B, C, and E) by reconstructing their genomes with Single-Cell genomics data. In chapter 1, co-occurrence and biogeographic analyses in the surface global ocean indicated contrasting patterns driven by temperature. Although MAST-4 species were similar in terms of broad metabolic functions, they differed in the set of genes related to the food degradation machinery. We proposed that differential niche adaptation to temperature and prey type has promoted the evolutionary diversification in MAST-4. In chapter 2, we explore the intraspecies genomic divergence within each MAST-4 in the surface global ocean using metagenomic data. We found highly-differentiated populations among MAST-4A and C but lowly-differentiated populations in species B and E. Nevertheless, positive selection in specific genes pointed to niche adaptation to different ocean basins driven by fluctuating temperature and salinity conditions. Environmental factors also oscillate over time, but the effect they have over population remains a mystery. In chapter 3, we compared the genomic differentiation of 495 abundant prokaryotic metagenome-assembled genomes (MAGs) over 12 and 7 years in BBMO and SOLA stations, and across the surface global ocean. Our results suggested a stronger population differentiation at large-spatial scales, modulated by temperature and salinity, compared to long-temporal scales. However, underlying population structure was still detected in both time-series, with differential patterns of positive selection within the same genes. Although protists and prokaryotes are very different in terms of cellular structure, feeding, diversity, and reproduction, they are interconnected through biogeochemical and food web networks. In chapter 4, we developed an approach to infer potential interactions between these two groups based on the annotation of functional genes within Single-Amplified Genomes (SAGs). From a collection of over 3,000 SAGs, we corroborated associations (potential interactions) reported in previous works and inferred new ones involving uncultured marine protists that may hold important roles in ecosystem functioning. This thesis not only contributes to a better understanding of the biogeography, population dynamics, interactions, and evolution of marine microorganisms, but it also constitutes an expandable resource to test future hypotheses involving the ocean microbiome.

(Español) Existen un sinfín de microorganismos que contribuyen a los ciclos biogeoquímicos globales. En la superficie oceánica, los microbios más pequeños (picoplancton) son responsables de fijar una gran parte del total de carbono y nitrógeno terrestre. El picoplancton agrupa tanto a procariotas (bacterias y arqueas) como a pequeños eucariotas unicelulares (protistas). A pesar de su importancia en el funcionamiento de la biosfera, existen aún muchas preguntas sin respuesta relacionadas con su biogeografía, dinámica poblacional, interacciones, y evolución. Responder dichas preguntas es esencial en el contexto del cambio climático, ya que alteraciones en la microbiota marina podría impactar en el funcionamiento de múltiples ecosistemas. El principal objetivo de la tesis es llenar el vacío existente sobre los temas mencionados a través de la aplicación de técnicas de secuenciación de alto rendimiento (HTS) y de métodos genómicos, usando datos recolectados durante las expediciones globales de Tara Oceans y Malaspina-2010, el Golfo de Maine (Océano Atlántico Norte), y dos observatorios situados en la costa noroeste del mar Mediterráneo (BBMO y SOLA). Los capítulos 1 y 2 están dedicados a un grupo de pequeños protistas flagelados heterótrofos (HF): los Stramenopilos Marinos (MAST)-4, relevantes en el consumo de picoplancton y la re-mineralización de nutrientes. Debido a su distribución generalizada y su abundancia relativa elevada, MAST-4 se ha convertido en un grupo microbiano modelo para estudiar a los HF. Hemos reconstruido los genomas de cuatro especies relacionadas evolutivamente de MAST-4 (A, B, C, y E) usando datos de genómica de célula única (SCG). En el capítulo 1, los análisis de coocurrencia y biogeografía en la superficie oceánica global indicaron patrones contrastantes relacionados con la temperatura. Aunque las especies de MAST-4 compartían funciones metabólicas, su contenido genético relacionado con la degradación de comida era diferente. Por lo tanto, propusimos que la adaptación a diferentes nichos promovió la evolución de MAST-4. En el capítulo 2, exploramos la divergencia genómica global dentro de cada especie individual usando datos metagenómicos. Encontramos poblaciones altamente diferenciadas en MAST-4A y C, pero poco diferenciadas en las especies B y E. La selección positiva de genes específicos señaló a una adaptación por zona oceánica en base a temperatura y salinidad. Las condiciones ambientales oscilan en el tiempo, pero el efecto que tienen sobre las poblaciones en la escala temporal es poco conocido. En el capítulo 3, comparamos la diferenciación genómica de 495 genomas de procariotas abundantes en 12 y 7 años de datos temporales en las estaciones de BBMO y SOLA, y a través del océano global. Nuestros resultados sugirieron una diferenciación poblacional mayor en el espacio que en el tiempo modulada por la temperatura y la salinidad. Sin embargo, detectamos estructura poblacional subyacente en ambas series temporales con distintos patrones de selección en los mismos genes. Aunque los protistas y los procariotas son muy diferentes en cuanto a estructura celular, alimentación, y diversidad, están conectados a través de las redes tróficas y biogeoquímicas. En el capítulo 4, desarrollamos un nuevo método para predecir interacciones potenciales entre estos grupos basado en la anotación de genes funcionales dentro de genomas de célula única (SAGs). Con una colección de más de 3000 SAGs, corroboramos interacciones predichas en trabajos previos y describimos otras nuevas involucrando protistas marinos no cultivados que podrían jugar papeles importantes en el funcionamiento del ecosistema. En conclusión, la presente tesis no solo contribuye a un mejor entendimiento de la biogeografía, dinámica poblacional, interacciones, y evolución de microorganismos marinos, sino que constituye una fuente de referencia para testear futuras hipótesis que involucre a la microbiota marina.