Ecogenomics of uncultured marine prokaryotes

Abstract

Durant les últimes dècades s’han aplicat noves tècniques d’estudi dels microorganismes marins per investigar aquells que no creixen en cultiu. La combinació de metodologies independents de cultiu, seqüenciació massiva i mostrejos oceanogràfics a gran escala ens han permès explorar una diversitat taxonòmica i funcional de microorganismes marins fins ara desconeguda. Els microorganismes marins juguen un paper fonamental en els cicles dels nutrients i la regulació del clima. Per això, és vital que definim la seva taxonomia, distribució, hàbitats i propietats funcionals a l’oceà. Relacionar taxonomia i funció sempre ha estat un repte en aquesta disciplina, però en els últims anys s’han desenvolupat dues alternatives que persegueixen aquest objectiu. La genòmica de cèl·lules individuals permet seqüenciar genomes ambientals i la reconstrucció de genomes a partir de metagenomes aprofita el contingut total d’ADN de la comunitat. En aquesta tesi, he generat genomes mitjançant aquestes dues estratègies en mostres d’aigua de zones relativament menys explorades com l’Índic Nord i l’Oceà Àrtic.

L’Índic Nord és subjecte d’afloraments estacionals d’aigua profunda rica en nutrients, que a superfície afavoreixen el creixement de fitoplàncton. La producció primària a la superfície és tal que el metabolisme heterotròfic que es nodreix dels productes derivats del fitoplàncton consumeix la majoria d’oxigen, generant zones mínimes d’oxigen (OMZ) que es mantenen gràcies a processos físics que eviten que es mesclin amb altres masses d’aigües. Aquestes OMZ s’ha predit que augmentaran per l’escalfament global i han atret l’atenció d’ecòlegs microbians perquè són riques en microorganismes relacionats amb el cicle del nitrogen i diversos metabolismes micro-aerobis i anaerobis. Tot i que l’Índic Nord presenti una de les OMZ més extenses, la diversitat microbiana d’aquest ambient s’ha estudiat poc. Mitjançant genòmica de cèl·lules individuals vaig obtenir 98 genomes ambientals del gènere Kordia, dels que se’n van seqüenciar deu, després d’analitzar-ne microdiversitat. El seu co-assemblatge es va revisar manualment per generar un genoma de referència gairebé complet. Vaig descriure la nova espècie amb múltiples filogènies i anàlisis de genòmica comparada amb altres espècies del mateix gènere. També vaig definir el seu potencial metabòlic i nínxol de preferència combinant la seva anotació funcional amb la distribució a varis metagenomes de la columna d’aigua d’origen, incloent-hi diferents fondàries i mides de plàncton.

L’Oceà Àrtic té un gran impacte a la regulació climàtica del nostre planeta i està severament afectat per l’escalfament global. La diversitat procariòtica de les seves aigües s’ha estudiat en mostrejos esporàdics, majoritàriament centrats en estacions de l’any concretes o certes regions geogràfiques. En aquesta tesi he construït 3550 genomes a partir de metagenomes de diferents regions àrtiques i durant diverses estacions de l’any, en una circumnavegació de les aigües l’Oceà Àrtic. Representen gairebé la meitat del contingut genètic de les comunitats i d’aquests, 530 es poden classificar com a genomes de qualitat mitjana i alta. Inclouen una elevada novetat taxonòmica, sobretot a nivell d’espècie però fins i tot a nivell de Classe, pel que fa als Bacteris. He estudiat les seves implicacions al cicle del carboni a l`Àrtic, així com la seva distribució i preferències d’hàbitat, definint generalistes i especialistes que poden servir com a espès sentinella en futurs estudis de canvi climàtic a l’Àrtic.

En resum, aquesta tesi aporta una nova visió en la diversitat funcional i taxonòmica de procariotes no cultivats i proposa noves metodologies per millorar l’assemblatge de genomes i controls de qualitat en els mapejos meta-òmics.

En las últimas décadas se han aplicado nuevas metodologías al estudio de los microorganismos marinos para recuperar taxones que no crecen en cultivo. La combinación de técnicas independientes de cultivo, secuenciación masiva y muestreos oceanográficos a gran escala han permitido explorar la diversidad taxonómica y funcional microbiana a un nivel de resolución previamente desconocido. Los microorganismos marinos juegan un papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos y regulación del clima a escala planetaria. Por eso es importante que definamos su taxonomía, distribución, hábitats y propiedades funcionales en el océano. Relacionar la taxonomía con la función a nivel genómico ha sido un reto en la ecología microbiana, pero en los últimos años se han desarrollado dos alternativas con este objetivo. La genómica de células individuales permite secuenciar genomas ambientales y la reconstrucción de genomas a través de metagenomas usa el contenido de ADN de la comunidad como material de partida. En esta tesis, he estudiado genomas usando estas dos estrategias en muestras de agua de zonas relativamente poco exploradas como el Océano Índico Norte y el Océano Ártico.

El Océano Índico Norte está sujeto a afloramientos estacionales de agua profunda rica en nutrientes que favorecen el crecimiento masivo de fitoplancton en superfície. La producción primaria es tal que el metabolismo heterotrófico que se nutre de productos derivados de fitoplancton consume la mayoría la oxigeno disponible, generando zonas mínimas de oxigeno (OMZ). Éstas se mantienen por procesos físicos que impiden su mezcla con otras masas de agua. Se prevé que estas zonas aumentarán debido al calentamiento global. Además han captado el interés de los ecólogos microbianos porque son aguas ricas en microorganismos involucrados en el ciclo del nitrógeno, y en metabolismos micro-aerobios y anaeróbicos. A pesar de que en el Índico Norte exista una de las OMZ más extensas del planeta, su diversidad microbiana ha sido poco estudiada. Mediante genómica de células individuales obtuve 98 genomas ambientales del género Kordia de los cuales, tras su análisis de microdiversidad, se seleccionaron diez para su secuenciación y co-ensamblado. El genoma co-ensamblado fue revisado manualmente para generar un genoma de referencia casi completo. Describí la novedad taxonómica de la especie con filogenias y análisis de genómica comparada con otras especies del mismo género. También definí su potencial metabólico y nicho de preferencia combinando la anotación funcional con su distribución en distintos metagenomas de la columna de agua de origen, de distintas profundidades y tamaños de plancton.

El Océano Árctico tiene un gran impacto en la regulación climática de nuestro planeta, siendo actualmente severamente afectado por el calentamiento global. La diversidad procariótica de sus aguas se ha estudiado en muestreos esporádicos, mayormente centrados en estaciones del año específicas o en ciertas regiones geográficas. En esta tesis he construido 3550 genomas a partir de metagenomes Árticos, de diferentes regiones y durante distintas estaciones del año, los cuales representan casi la mitad del contenido genético de la comunidad. De estos, 530 se pueden clasificar como genomas de calidad media y alta, e incluyen una mayoría de taxones no descritos hasta ahora, cuya novedad taxonómica es incluso a nivel de Clase en el caso de las Bacterias. He estudiado sus implicaciones en el ciclo del carbono en el Ártico, sus patrones de distribución y sus preferencias de hábitat, definiendo generalistas y especialistas que pueden servir como especies centinela en futuros estudios de cambio climático en el Ártico.

En resumen, esta tesis aporta una nueva visión en la diversidad funcional y taxonómica de procariotas marinos no cultivados, y propone nuevas metodologías para mejorar el ensamblaje de genomas y controles de calidad en los mapeos meta-ómicos.

In the last few decades, novel approaches have been applied to the study of marine microorganism aiming to retrieve taxa that escape isolation in culture. Culture independent methodologies, together with high-throughput sequencing and oceanographic samplings, have provided insight into a previously unknown taxonomic and functional diversity of marine microorganisms. Marine microorganisms play a fundamental role in nutrient cycling and climate regulation at a planetary scale. Thus, it is of paramount importance to define their taxonomic classification, distribution, habitat preferences and functional properties in the ocean. Linking taxonomy with function has been a challenge in Microbial Ecology, and in the recent years two alternatives have been developed towards this end. Single Cell Genomics allows the sequencing of individual genomes from environmental samples (Single Amplified Genomes, SAGs) and genome reconstruction from metagenomes allows building genomes from the community’s DNA content (Metagenomic Assembled Genomes, MAGs). In the present dissertation, I have retrieved SAGs and MAGs from underexplored areas like the North Indian Ocean and the Arctic Ocean.

The North Indian Ocean is subject to seasonal upwellings that provide surface waters with fresh nutrients, resulting in phytoplankton blooms. Such high primary productivity in the surface waters results in heterotrophic metabolism in the subsurface, by prokaryotes that feed on the products released by primary producers. Such high heterotrophic activity consumes the available oxygen, and together with physical processes than prevent water mixing, generates an oxygen-depleted layer in the water column: the Oxygen Minimum Zone. These water layers are predicted to increase due to global warming and have caught the attention of microbial ecologists as they are rich in microbes involved in the cycling of nitrogen and several microaerophilic and anaerobic metabolisms. Even though the North Indian Ocean has one of the most intense and large OMZs, little is known about the prokaryotic diversity of this environment. With Single Cell Genomics I was able to retrieve 98 SAGs of a novel species in the genus Kordia and after genetically screening them for microdiversity patterns, ten were selected for complete sequencing. The ten genomes were co-assembled together and manually curated for the generation of a reference, almost complete, draft genome. I described the novelty of this species based on multiple phylogenies and comparative genomics with the other described species of the genus Kordia. I also defined the functional potential and niche preference of the novel species combining its functional annotation with its distribution in the different metagenomes of the water column of origin, that included multiple depths and size fractions.

The Arctic Ocean has a huge impact in climate regulation of our Planet and is currently being affected severely by global warming. The prokaryotic diversity of its waters has been assessed in sporadic sampling events, mostly focused on a specific season or geographic extension. In the present work I have built 3550 bins from Arctic metagenomes from different regions and seasons that are representative of almost half of the genetic content of the community. Of these, 530 can be classified as MAGs due to their medium and high-quality features and include a majority of novel taxa, especially at the species level but also at higher taxonomic ranks like Class in the case of Bacteria. I have studied their implications for the Arctic’s carbon cycle, their distribution patterns and habitat preferences, and have defined habitat generalists and specialists that can serve as future sentinels of climate change in the Arctic.

Overall, this dissertation provides new insights into the taxonomic and functional diversity of uncultured taxa, and proposes new methodologies to improve genome assembly and quality controls in meta-omic mappings