An Omics World: Colonization and Adaptive Processes of Styela plicata

Abstract

[eng] In the last decades biological invasions have emerged as a global concern, as they impact local biodiversity by disrupting ecosystem functioning and ultimately affect human health, economy and wellness. In a climate change scenario, catalyzed by globalization, the issue of invasive species is expected to become magnified in the near future. However, little is known about the intrinsic mechanisms allowing invasive species to overcome new conditions and become a major threat worldwide. This PhD thesis aims to study the colonization and adaptive processes of the invasive tunicate S. plicata worldwide using ‘-omic’ approaches, including population genomics and microbiome. By combining multiple sequencing techniques such as PacBio Long Reads, Illumina Whole Genome Sequencing (WGS), Illumina RNAseq and Illumina amplicon sequencing, we have adopted multiple approaches to the study of this species. First, by using 80 publicly available genomes, we evaluated general output trends when using the 2b-RADseq technique depending on the genomic architecture of target species, demonstrating that overall the technique does not generate biases although it slightly enriches exonic regions. Furthermore, by empirically testing the effect of 2b-RADseq base-selective adaptors on genotyping using four S. plicata individuals, we paved the way for cost-effective population studies on this species. Next, we built and annotated a “de-novo” reference genome for S. plicata, and combined it with Illumina WGS of 24 individuals worldwide. The resulting pangenome revealed the presence of 4 potentially adaptive inversions, the first evidence of population structure, SNPs related to local adaptation, and mito-nuclear interactions. These methodological improvements and the generation of a reference genome assembly allowed us to analyze 87 individuals from 18 localities worldwide using 2b-RADseq to further reveal its population genomic structure, finding clear signals of local adaptation and recent demographic bottlenecks related to invasive events. Finally, using Illumina sequencing of the V4 region of the 16S gene of several tissues of juvenile and adult individuals and water samples from three harbors, in addition to adult samples on two of these harbors over two years, we shed light on the dynamics of the microbiome hosted by S. plicata. We revealed that Methylocaeanibacter sp. ASV0 is the most important bacteria in the tunic, whereas Gammaproteobacteria ASV1 and the unidentified bacteria ASV2 are so in the gill for holobiont survival. Moreover, we found evidence of abundance shifts through adulthood for these bacteria, suggesting active enrichment by S. plicata towards its symbiotic bacterial community. Finally, we revealed potential adaptive bacteria responding to seasonality and trace elements such as Candidatus Hepatoplasma sp. ASV11 and Endozoicomonas sp. ASV50, among others. This multilevel approach provides a solid basis to properly understand the mechanisms of Styela plicata and other invasive marine species to colonize and quickly adapt to new habitats.

[cat] En les últimes dècades, les invasions biològiques han sorgit com una preocupació global, afectant sobre la biodiversitat local alterant-ne el funcionament dels ecosistemes i, finalment, afectant a la salut, l'economia i el benestar de les persones. En un escenari de canvi climàtic, catalitzat per la globalització, s'espera que el problema de les espècies invasores s'ampliï en un futur proper. No obstant això, es coneix poc sobre els mecanismes intrínsecs que permeten que les espècies invasores superin noves condicions i esdevinguin una amenaça a nivell global. Aquesta tesi doctoral té com a objectiu estudiar els processos de colonització i adaptació del tunicat invasor S. plicata a tot el món mitjançant enfocs '-òmics', incloent-hi la genòmica de poblacions i el microbioma. Al combinar varies tècniques de seqüenciació com PacBio Long Reads, Illumina Whole Genome Sequencing (WGS), Illumina RNAseq i Illumina Amplicon Sequencing, hem adoptat múltiples enfocs per a l'estudi d'aquesta espècie. En primer lloc, mitjançant l'ús de 80 genomes disponibles públicament, vam avaluar les tendències generals quan s'utilitzava la tècnica 2b-RADseq en funció de l'arquitectura genòmica de les espècies objectiu, demostrant que en general la tècnica no genera biaixos tot i que enriqueix lleugerament les regions exòniques. A més, vam comprovar empíricament l'efecte dels adaptadors de base selectiva 2b-RADseq en el genotipat mitjançant quatre individus de S. plicata, obrint el camí per a estudis de població econòmicament rendibles. A continuació, vam construir i anotar un genoma de referència "de-novo" per a S. plicata, i el vam combinar amb Illumina WGS de 24 individus a tot el món. El pangenoma resultant va revelar la presència de 4 inversions potencialment adaptatives, la primera evidència d’estructura poblacional, SNPs relacionats amb l'adaptació local, i interaccions mitonuclears. Aquestes millores metodològiques conjuntament amb la generació d'un genoma de referència ens van permetre analitzar 87 individus de 18 localitats d'arreu del món mitjançant 2b-RADseq per revelar, amb més detall, la seva estructura genòmica poblacional, trobant clares senyals d'adaptació local i colls d'ampolla demogràfics recents relacionats amb esdeveniments d’invasió. Finalment, utilitzant la seqüenciació Illumina de la regió V4 del gen 16S de diversos teixits d'individus juvenils i adults i mostres d'aigua de tres ports, a més de mostres d'adults en dos d'aquests ports durant dos anys, vam posar llum sobre la dinàmica del microbioma allotjat per S. plicata. Vam revelar que Methylocaeanibacter sp. ASV0 és el bacteri més important de la túnica, mentre que Gammaproteobacteria ASV1 i el bacteri no identificat ASV2 ho són a la brànquia, els quals permeten la supervivència dels holobionts. A més, vam trobar evidència de canvis d'abundància al arribar a l'edat adulta per a aquests bacteris, cosa que suggereix un enriquiment actiu per S. plicata cap a la seva comunitat bacteriana simbiòtica. Finalment, vam revelar bacteris adaptatius potencials que responen a l'estacionalitat i elements traca com Candidatus Hepatoplasma sp. ASV11 i Endozoicomonas sp. ASV50, entre d'altres. Aquest enfocament multinivell proporciona una base sòlida per entendre adequadament els mecanismes de Styela plicata i altres espècies marines invasores per colonitzar i adaptar-se ràpidament als nous hàbitats.