Ecology of marine aerobic anoxygenic phototrophic bacteria

Abstract

Els bacteris aeròbics anoxigènics fototròfics (AAP) són organismes heterotròfics que poden aprofitar la llum per a proveir el seu metabolisme. Habiten a la zona eufòtica dels oceans, on juguen un paper important en el reciclatge de la matèria orgànica. La descoberta de la seva presència en la superfície dels oceans fa més de dues dècades, va marcar un canvi de paradigma en el camp de l'ecologia microbiana marina. Des de llavors, l'exploració de les AAP ha progressat en paral·lel amb els avenços tecnològics, particularment l'aparició de tècniques de seqüenciació d'alt rendiment (HTS).

En aquesta tesi, s'exploren els patrons biogeogràfics de les comunitats d'AAPs a través de la superfície de l'oceà global i a tota la columna d'aigua, avaluant i millorant les eines moleculars disponibles per al seu estudi, i analitzant les seves abundàncies cel·lulars, distribució de pigments i patrons de bioenergètica a través de l'oceà Atlàntic. Utilitzant mostres recollides durant l'Expedició Malaspina, s'explora la diversitat i composició de les comunitats AAP a través dels oceans Atlàntic, Indi i Pacífic, definint els seus patrons biogeogràfics i identificant la selecció ambiental com el principal procés ecològic que governa les comunitats bacterianes AAP. L'avaluació de la diversitat de bacteris AAP es basa tradicionalment en la seqüenciació d'amplicons del gen pufM, amb potencials reptes derivats de biaixos relacionats amb els encebadors. En aquesta tesi, s'aborda de manera integral aquest tema avaluant els encebadors existents, dissenyant-ne de nous i provant-los en un conjunt de mostres ambientals. Aquest enfoc permet identificar els millors encebadors per a l'amplificació del gen pufM, que després s'ha aplicat per estudiar la diversitat d'AAPs a la columna d'aigua a l'oceà Atlàntic. La millora dels encebadors va demostrar que una fracció important de les comunitats AAPs estan compostes per grups taxonòmics que gairebé no han estat estudiats, i dels quals amb prou feines se'n coneix l'ecològica. Aquesta tesi explora la seva distribució i preferències d'hàbitat, i mostra que la composició dels conjunts d'AAPs està fortament influenciada per la seva posició al llarg de la columna d'aigua en relació amb el màxim de clorofil·la profund. A més, a través del anàlisi de les abundàncies de les cèl·lules AAP i les concentracions de bacterioclorofil·la a a través de diferents profunditats, s'ha pogut estimar l'energia solar capturada pels AAP a l'oceà.

En resum, aquesta tesi proporciona nous coneixements sobre les AAPs en el medi marí, i aplana el camí per a futures investigacions amb la finalitat d'avançar en la nostra comprensió i coneixement sobre la seva ecologia.

Las bacterias aerobias anoxigénicas fototróficas (AAPs) son organismos heterótrofos que pueden usar la energía solar para suplementar su metabolismo. Habitan la zona eufótica de los océanos, jugando papel importante en el reciclado de la materia orgánica. El descubrimiento de su presencia en la superficie del océano significó un cambio de paradigma en el campo de la ecología microbiana marina. Desde entonces, la exploración de las AAPs ha progresado en paralelo a los avances tecnológicos, y en particular alentado por el desarrollo de las nuevas técnicas de secuenciación masivas.

En esta tesis, se exploran los patrones biogeográficos de las comunidades de AAPs a lo largo de la superficie del océano global y a través de la columna de agua. Se evalúan y mejoran las herramientas moleculares disponibles para su estudio, y se analizan las abundancias celulares y distribución de pigmento a lo largo de océano Atlántico. Usando muestras recogidas durante la Expedición Malaspina, he estudiado la diversidad y la composición de las comunidades de AAPs en los océanos Atlántico, Índico y Pacífico, definiendo sus principales patrones biogeográficos e identificando la selección ambiental como el proceso ecológico más importante influenciando su composición. El análisis de la diversidad de las AAPs se ha basado tradicionalmente en la amplificación del gen pufM, con posibles desafíos asociados a sesgos en los cebadores. En esta tesis, abordo de manera integral este tema al evaluar los cebadores existentes, diseñar nuevos y probarlos en un conjunto de muestras ambientales marinas. Este trabajo ha permitido la identificación de los cebadores más adecuados para el gen pufM, que posteriormente se han aplicado al estudio de la diversidad de AAPs en la columna de agua a lo largo del océano Atlántico. La mejora de los cebadores muestra que una fracción importante de las comunidades de AAPs está compuesta por grupos taxonómicos que apenas han sido estudiados, y de los que se tiene poca información ecológica. Esta tesis explora su distribución y su hábitat, y muestra que la composición de las comunidades de AAP está fuertemente influenciada por su posición a lo largo de la columna de agua en relación con el máximo de clorofila profunda. Además, el análisis de las abundancias celulares de AAPs y la concentración de bacterioclorofila a en diferentes profundidades, ha permitido estimar la energía solar capturada por las bacterias AAP en el océano abierto.

En conjunto, esta tesis aporta información nueva relativa a las AAPs en el entorno marino y allana el camino para investigaciones futuras con el fin de avanzar en nuestra comprensión y conocimiento de su ecología.

Aerobic anoxygenic phototrophic (AAP) bacteria are heterotrophic organisms that can harvest light to supply their metabolism. They inhabit the euphotic zone of the oceans, where they play an important role in the recycling of the organic matter. The discovery of their presence in the surface oceans more than two decades ago, marked a change of paradigm in the field of marine microbial ecology. Since then, the exploration of AAP bacteria has progressed in parallel with technological advancements, particularly the emergence of high-throughput sequencing (HTS) techniques.

In this thesis, I explore the biogeographical patterns of AAP bacteria communities across the surface global ocean and throughout the water column, I evaluate and improve the molecular tools available for their study, and analyze their cells abundances, pigment distribution, and bioenergetics patterns across the Atlantic Ocean. Using samples collected during the Malaspina Expedition, I explore the diversity and composition of AAP communities across the Atlantic, Indian, and Pacific Oceans, defining their biogeographical patterns and identifying the environmental selection as the main ecological process governing AAP bacteria communities. The assessment of AAP bacteria diversity traditionally relies on amplicon sequencing of the pufM gene, with potential challenges arising from primer-related biases. In this thesis, I comprehensively address this issue by evaluating existing primers, designing new ones, and testing them in a set of environmental samples. This approach has enabled the identification of the optimal set of primers for the pufM gene amplification, that then I have applied to study the diversity of AAP bacteria in the water column across the South and Mid Atlantic Ocean. The refinement of primers showed that an important fraction of AAP communities are composed by taxonomic groups that have barely been studied, with limited available ecological information. This thesis explores their distribution and habitat preferences, and shows that the composition of AAP assemblages is strongly influenced by their position along the water column relative to the deep chlorophyll maximum. Furthermore, through an analysis of AAP cell abundances and bacteriochlorophyll a concentrations across different depths, I have been able to estimate the solar energy captured by AAP bacteria in the open ocean.

Overall, this thesis provides new insights into the ecology of AAP bacteria in the marine environment, and pave the way for future research in order to advance our understanding and knowledge on their ecology.