Genome basis for functional differentiation in uncultured lineages of marine bacterivores

Abstract

In the vast network of the ocean, microbes are abundant and unevenly distributed. As an important microbial component, the protists play a key role in global biogeochemical cycles and contribute to the recycling of nutrients necessary to sustain life on Earth. These unicellular eukaryotes exist and function as primary producers (drivers of photosynthesis), decomposers, parasites or as trophic linkers in aquatic food webs. Phagotrophic species, which acquire nutrition through feeding on other organisms, are commonly understudied due to the difficulty in culturing them. The recent characterization of their genomic and metabolic diversity starts to unveil their great ecological relevance in the oceans. In this dissertation, we focused on heterotrophic flagellates, the main bacterial grazers in marine systems, and especially on the MArine STramenopile (MAST) lineages that display numerous uncultured and, therefore, undefined species. The aim was to elucidate their ecological importance in marine food webs by understanding their presumed trophic strategy: phagocytosis, a process only well characterized in animals as an immune system response. We first attempted to provide new reference genomes of MAST species using single cell genomic sequencing and a co-assembly approach. Thus, we assembled 15 draft genomes from different MAST lineages, and predicted their gene repertoire with the objective to characterize specific genes related to their trophic strategy. Our comparative genomics analysis indicated that all MAST species were phagotrophs. We then targeted peptidases involved in prey digestion as well as proton pumps for vacuole acidification, but we did not find preferential genes specific for phagocytosis. In addition, this study revealed the relevant presence of rhodopsin proteins that may contribute in the acidification of the phagolysosome. In the second paper, we did a functional study of MASTs using metatranscriptomics in order to gain access to their gene expression within the natural environment. To do so, we started a grazing experiment with a natural sample from the Mediterranean Sea: in a controlled microcosm in the dark, we followed the cell growth of a natural community where we aimed to enrich for heterotrophic flagellates and therefore phagocytosis. We showed an increase in the relative abundance of heterotrophs, as compared with phototrophs, when phagocytosis occurred. Using the previously established reference genome collection of a few MASTs, we were able to target the MAST reads in the metatranscriptome and analyze the expression profile of genes involved in phagocytosis for a couple of MAST-4 species. Cathepsins and other digestive enzymes were highly expressed when bacterial consumption was observed. Finally, a similar experiment was conducted with a cultured organism, Cafeteria burkhardae, a cosmopolitan heterotrophic flagellate that proved to be a good model to study bacterivory within the Stramenopiles. Results demonstrated distinct expression profiles depending on the growth phase of this species. Upregulated genes at the Exponential phase were related to DNA duplication, transcription, translation, and phagocytosis, whereas upregulated genes in the Stationary phase were involved in signal transduction, cell adhesion and lipid metabolism. Phagocytosis genes, like peptidases and proton pumps, were highly expressed and could be used to target this ecologically relevant process in marine ecosystems. This thesis contributes to the understanding of the community of marine bacterial grazers, which include the smallest phagotrophs in the ocean, with a focus on their functional behavior within the natural and complex protistan assemblage.

América Latina es una región heterogénea, tanto desde el punto de vista geográfico, demográfico como económico. Específicamente desde una perspectiva económica, el Banco Mundial clasifica a algunos países de la región como de altos ingresos según su PIB per cápita, mientras que a otros como de ingresos medios bajos. Igualmente, el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) clasifica a algunos países de la zona dentro del grupo de muy alto desarrollo humano, así como también clasifica a otros como de desarrollo humano medio. Sin embargo, todos tienen una característica en común: una desigualdad en los ingresos, superior al promedio mundial. Dado el escenario anterior, se hace necesario fomentar el desarrollo y competitividad de las naciones latinoamericanas. Para ello, las universidades serían instituciones claves, ya que en su quehacer son responsables de la formación del capital humano, producen y difunden conocimiento científico, promueven el progreso tecnológico y las artes. Sin embargo, sólo un escaso número de universidades de América Latina es competitivo a nivel global. Lo anterior, dado que mayoritariamente son instituciones enfocadas a la docencia, siendo pocas las que se pueden considerar como universidades investigadoras. Por lo tanto, se hace necesario mejorar la competitividad de estas instituciones y uno de los factores que influyen en ello, y es necesario analizar, es su gobenanza. De acuerdo a lo anterior, esta tesis se planteó como objetivo determinar si los atributos propios de la estructura de gobierno, como el tamaño del consejo universitario, independencia del consejo universitario, método de nombramiento del rector, presencia e independencia de un comité o departamento de auditoría, son variables determinantes en el rendimiento de las universidades de América Latina. Para efectos de este estudio se consideró que el rendimiento de las universidades se mediría por medio de la posición que ellas obtienen en los rankings universitarios, específicamente el ranking QS para América Latina, versión 2019. Para el logro de los objetivos se plantearon seis hipótesis, cada una relacionada a los atributos de gobierno universitario mencionados en el párrafo anterior. Para contrastar las hipótesis se utilizó una muestra de 129 universidades que se clasificaron en el año 2019 en las primeras 150 posiciones del ranking QS para América Latina. Además, estadísticamente se aplicaron dos tipos de regresiones: mínimos cuadrados ordinarios y regresión TOBIT. Entre los resultados más destacados se evidenció que atributos de gobemanza como la composición del consejo universitario, método de nombramiento del rector y presencia de un departamento o comité de auditoría independiente serian variables estratégicas que deberían ser consideradas en la gestión universitaria. Igualmente, se comprobó que la incidencia de estas variables en el rendimiento de las universidades depende del tipo de institución, es decir, si es una institución pública o privada.