Understanding stochastic and deterministric microbial assembly processes in ephemeral saline lakes

Abstract

Understanding the mechanisms and processes driving biological com- munities assembly, i.e. determining why a specific community is found under certain circumstances, is one of the fundamental questions in ecology. The potential effect of the different assembly processes (selection, dispersal and ecological drift, together with speciation which operates at evolutionary timescales) has been studied over multiple systems and types of organisms, proposing a complex equilibrium with a variable dominance of either stochastic or deterministic assembly processes. In this PhD thesis, we aimed to reach a deep understanding on the processes and mechanisms driving microbial communities assembly using a highly dynamic system of ephemeral saline lakes potentially interconnected by dispersal processes as study model. Ephemeral saline lakes are a perfect scenario to assess the effect of variable selective pressure (promoted by wide salinity fluctuations) and the potential effect on complementary assembly processes as dispersal and ecological drift. The study of these processes across environ- mental, spatial and temporal scales may offer a mechanistic understanding on how assembly processes interact to determine communities diversity. Along three consecutive hydrological cycles, we characterized the monthly dynamics of the aquatic microbiome inhabiting 14 ephemeral salt lakes in the Monegros Desert (NE Spain). These systems experienced severe variations in water volume along the hydrological cycle, which promote wide salinity fluctuations from freshwater to salt-saturation. The inhabiting bacterial, archaeal and microeukaryal communities were characterized by high-throughput sequencing of the 16S and 18S rRNA genes, respectively. We assessed the effect of increasing salinity concentrations in the diversity and composition of microbial communities, together with ecological and metabolic effects. Next, we analyzed the ephemeral lakes from a metacommunity perspective to investigate the role of the different assembly processes along the hydrological cycle and their interactions to shape the observed dynamics.

As expected, we noticed that increasing salinity gradients strongly deter- mined microbial communities compositions. While a taxonomic replacement was observed in the bacterial communities driven by mass extinctions followed by colonization by better-adapted halophilic groups, eukaryal communities suffered a severe environmental filtering which produced a simplified assembly dominated by a few halophilic groups, mainly the photosynthetic algae Dunaliella and Navicula. Conversely, the rich archaeal assemblage of Monegros become more abundant as lakes reached hypersaline concentrations. Through a novel genomic trait-based approach we set up the transition from stochasticity to deterministic assembly describing a consistent threshold at salinities c.a. 5%. Beyond this threshold, increasing selective pressure reduced the potential colonization success among lakes, but also the potential colonization by allochthonous microbes from other biomes as sediments and soils. Potential interspecies interactions along the salinity gradient were addressed by a network analysis that showed that increasing selective pressure, and the associated transition from generalists to specialists groups, reduced competition and did not promote facilitative associations. Overall, the multiscale assessment of the deterministic and stochastic assembly processes in the Monegros ephemeral lacustrine system, together with the previous vast knowledge on both the ecology and microbiology of saline system and the physiological effects of salinity gradients, allowed us to describe the biological assembly from an unusual combination of mechanistic and integrative points of view.

Comprender los mecanismos y los procesos que impulsan el ensamblaje de las comunidades biológicas, es decir, determinar por qué se encuentra una comunidad específica en determinadas circunstancias, es una de las cuestiones fundamentales en ecología. El efecto potencial de los diferentes procesos de ensamblaje (selección, dispersión y deriva ecológica, junto con la especiación que opera a escalas de tiempo evolutivas) se ha estudiado en múltiples sistemas y organismos, proponiendo un equilibrio complejo con un predominio variable de los procesos de ensamblaje estocásticos y deterministas. En esta tesis doctoral, nuestro objetivo es comprender los procesos y mecanismos que impulsan el ensamblaje de las comunidades microbianas utilizando un sistema de lagos salinos efímeros altamente dinámicos y potencialmente interconectados por procesos de dispersión como modelo de estudio. Los lagos salinos efímeros son un escenario perfecto para evaluar el efecto de una presión selectiva variable (promovida por las amplias fluctuaciones de salinidad) y el efecto potencial sobre los procesos de ensamblaje complementarios como la dispersión y la deriva ecológica. El estudio de estos procesos a través de múltiples escalas ambientales, espaciales y temporales puede ofrecer una comprensión mecanicista de cómo los diferentes procesos interactúan para determinar el ensamblaje de las comunidades. A lo largo de tres ciclos hidrológicos consecutivos, caracterizamos la dinámica mensual del microbioma acuático de 14 lagos salinos efímeros del desierto de Monegros (NE de España). Estos sistemas experimentaron severas variaciones en el volumen de agua a lo largo del ciclo hidrológico, los cuales promueven amplias fluctuaciones de salinidad que van desde agua dulce hasta la saturación de sales. Las comunidades de bacterias, arqueas y microeucariotas que habitan estos lagos se caracterizaron mediante la secuenciación masiva de los genes 16S y 18S rRNA, respectivamente. Evaluamos el efecto del aumento de la salinidad en la diversidad y composición de las comunidades microbianas, junto con los efectos ecológicos y metabólicos. A continuación, analizamos los lagos efímeros desde una perspectiva de

metacomunidad para evaluar el papel de los diferentes procesos de ensamblaje, así como sus interacciones, para originar las dinámicas observadas a lo largo del ciclo hidrológico. Como se esperaba, observamos que la composición de las comunidades microbianas está fuertemente determinada por el aumento de los niveles de salinidad. Mientras que se observó una reemplazo taxonómico en las comunidades bacterianas, impulsado por extinciones masivas seguidas de la colonización por grupos halófilos mejor adaptados, las comunidades de eucariotas sufrieron un severo filtrado ambiental que dio lugar a un ensamblaje simplificado dominado por unos pocos grupos halófilos, principalmente las algas fotosintéticas Dunaliella y Navicula. Por el contrario, el rico y diverso ensamblaje de arqueas presente en los Monegros se hizo más abundante a medida que los lagos alcanzaban concentraciones hipersalinas. Mediante un novedoso enfoque basado en los rasgos genómicos, identificamos la transición de un ensamblaje dominado por procesos estocásticos a un ensamblaje determinista, describiendo un umbral consistente a salinidades c.a. 5%. Más allá de este umbral, el aumento de la presión selectiva redujo el éxito potencial de los procesos de colonización entre los lagos, pero también la colonización potencial por parte de microorganismos alóctonos provenientes de otros biomas como sedimentos y suelos. Las potenciales interacciones entre especies a lo largo del gradiente de salinidad se abordaron mediante un análisis de redes que mostró que el aumento de la presión selectiva, y la transición asociada de grupos generalistas a especialistas, redujo la competencia y no promovió la facilitación entre especies. En general, el análisis multiescala de los procesos de ensamblaje deterministas y estocásticos en el sistema de lagos efímeros de Monegros, junto con los amplios conocimientos previos sobre la ecología y microbiología de los sistemas salinos y los efectos fisiológicos de los gradientes de salinidad, nos permitieron describir el ensamblaje de las comunidades desde una inusual combinación de puntos de vista mecanicistas e integradores.