Return of the marine heterotrophic flagellates: diversity, distribution and gene expression patterns

Abstract

(English) Marine heterotrophic flagellates (HF) are very small (2-5 µm) unpigmented protists that are dominant bacterial grazers in the ocean, where they link the transfer of carbon from bacterial cells to higher trophic levels. Through their bacterivorous activity, they also act as nutrient recyclers that allow for regenerated primary production, and they are partially responsible of keeping bacterial abundances in the ocean fairly constant. HFs are widespread throughout the eukaryotic tree of life, ubiquitous in the plankton and display a high functional diversity. During the last decades of the twentieth century, a growing interest in this functional group occurred, and studies were performed to characterize their ecological role. However, this initial attention diminished due to the difficulty to study natural HF species, as they possess few morphological traits for identification and generally remain uncultured. Consequently, HFs have been often neglected in marine surveys, to the extent of becoming one of the most understudied components of the marine microbiome. With the advent of high-throughput sequencing and the reduction of sequencing costs, studying these protists at a high-resolution level became feasible. This thesis represents a return to the study of HFs using these newly developed tools. We first investigated the distribution patterns of eukaryotic diversity along the water column of the ocean by metagenomics and compared the results with metabarcoding approaches. This analysis revealed a clear separation of taxonomic groups between pico- (0.2-3 µm) and nanoplanktonic (3-20 µm) fractions, as well as between photic (0-200 m) and aphotic (>200 m) regions. While some groups were not well represented by metabarcoding approaches due to technical biases, HFs were generally not affected by them. We then studied the diversity and distribution of HFs in the ocean using global metabarcoding datasets. With this, we identified a few dozens of HF species, most of them uncultured, as the dominant in surface and deep ocean regions. Many of these dominant species were present at relatively constant abundances, while others were influenced by temperature or displayed patchy distributions. Finally, we jumped from global patterns to study the gene expression of HFs in natural assemblages growing by bacterivory in unamended incubations. The obtained results using metatranscriptomics sequencing showed similar functional dynamics between experiments done at different times of a seasonal cycle, with marked differences between incubation times. Genes related to cysteine peptidases as well as some glycoside hydrolases emerged as key components involved in the process of bacterivory. Overall, this thesis returns HFs back to the spotlight and creates a solid foundation on which to perform renewed research on the ecology and functional role of this group.

(Català) Els flagel·lats heterotròfics marins (HF) són protists no pigmentats de mida molt petita (2-5 µm). Són els principals bacterívors a l'oceà i tenen un paper clau a la cadena tròfica com a enllaç en la transferència de carboni de les cèl·lules bacterianes cap a nivells tròfics superiors. A través de la seva activitat, també actuen com a remineralitzadors de nutrients, tot permetent una contínua producció primària, i són responsables parcialment de mantenir estable la concentració de bacteris a l'oceà. Els HFs es troben al llarg de tot l'arbre eucariota de la vida, tenen una gran presència en ambients planctònics i mostren una gran diversitat funcional. Durant les últimes dècades del segle XX, l'atenció cap aquest grup funcional va créixer de forma notable, i es van dur a terme estudis per caracteritzar millor el seu paper ecològic. Tanmateix, aquest interès va anar disminuint a causa de la dificultat per estudiar-ne les espècies naturals, atès que aquestes tenen pocs trets morfològics per a la seva identificació i generalment no han pogut ser cultivades. Com a conseqüència, els HFs han estat sovint oblidats en les campanyes oceanogràfiques, fins al punt de convertir-se en un dels components menys estudiats del microbioma marí. Amb el naixement de les tècniques de seqüenciació massiva i la reducció dels seus costos, l'estudi detallat d'aquests protists ha passat a ser possible. Aquesta tesi representa un retorn a l'estudi dels HF utilitzant aquestes noves eines. En primer lloc, hem investigat els patrons de distribució de la diversitat eucariota al llarg de la columna d'aigua de l'oceà per mitjà de dades de metagenòmica i els hem comparat amb els resultats obtinguts a partir de seqüències del gen ribosomal 18S (metabarcoding). Aquesta anàlisi mostra una clara separació taxonòmica entre les fraccions pico (0.2-3 µm) i nanoplanctòniques (3-20 µm), així com entre les regions fòtiques (0-200 m) i afòtiques (>200 m). Tot i que alguns dels grups no estan ben representats en l'anàlisi feta a través del gen 18S a causa de biaxos tècnics, la majoria dels HF no es veuen afectats per aquests. A continuació, hem estudiat la diversitat i distribució dels HFs a l'oceà utilitzant conjunts de dades globals de metabarcoding. Amb això, hem identificat unes poques espècies d’HFs, majoritàriament no cultivades, com les dominants en aigües superficials i profundes de l'oceà. Moltes d'aquestes espècies dominants es troben presents en abundàncies relativament constants, mentre que d'altres estan influenciades per la temperatura o mostren distribucions irregulars. Finalment, hem passat de l'anàlisi de patrons globals a l'estudi de l'expressió gènica de comunitats naturals d’HFs mitjançant una sèrie d'incubacions on la bacterivoria ha estat estimulada. Els resultats obtinguts fent servir dades de metatranscriptòmica mostren una dinàmica funcional similar entre experiments duts a terme en diferents estacions de l'any, amb diferències marcades entre els temps d'incubació. Els gens relacionats amb les peptidases de cisteïna, així com algunes hidrolases glicosídiques es presenten com a components clau implicats en el procés de bacterivoria. Amb tot, amb aquesta tesi hem tornat a posar els HFs al centre d'atenció i hem creat una base sòlida sobre la qual realitzar una investigació renovada de l'ecologia i el paper funcional d'aquest grup.