Molecular complexity of the differential growth of freshwater diatom species along pH gradients

Abstract

Aquesta tesi proporciona una visió general dels mecanismes moleculars que responen a una àmplia gamma de condicions de pH en espècies de diatomees d'aigua dolça filogenèticament diferents. Les diatomees són un grup divers d'algues eucariotes dins dels estramenòpils (heteroconts). Constitueixen un dels grups aquàtics més dominants i ubics, duent a terme funcions ecològiques i biogeoquímiques importants. Les diatomees es van originar en aigües marines fa uns 190 milions d'anys i, posteriorment, diferents clades han envaït hàbitats d'aigua dolça. Degut a l'amortiment del pH de l'oceà, és probable que els gradients continentals de pH siguin un dels principals impulsors del canvi evolutiu. Les diatomees d'aigua dolça són molt sensibles als canvis ambientals de pH. No obstant això, existeix poca informació sobre els mecanismes genètics que expliquen aquesta sensibilitat i la resultant segregació d'espècies al llarg del gradient de pH.

L'objectiu principal d'aquesta tesi era investigar les respostes moleculars de diatomees d'aigua dolça filogenèticament distants a una àmplia gamma de condicions de pH, en particular als ambients àcids. Per a això, es van conrear dotze soques de diatomees en condicions àcides, neutres i alcalines en un experiment de transplantació. Les dotze soques englobaven un ampli ventall filogenètic dins del clade de diatomees pennades rafídiques, incloent-hi espècies dels gèneres Nitzschia, Tryblionella, Eunotia, Navicula, Achnanthidium, Gomphonema i Encyonopsis. Les dotze soques van mostrar patrons de creixement contrastats al llarg del gradient de pH, amb una aparent conservació filogenètica del nínxol de pH restringida a rangs taxonòmics inferiors i amb força variable entre clades.

Els canvis ambientals de pH van provocar la regulació d'una gran quantitat de funcions moleculars i processos biològics en les diatomees. Moltes proteïnes afectades estaven implicades en l'ajust de l'expressió en resposta a estímuls, presumiblement per a satisfer requisits fisiològics dictats per factors ambientals. Aquest estudi demostra que les respostes als canvis de pH de funcions conegudes van mostrar una especificitat de soca substancial malgrat que les soques compartien una proporció significativa d'aquestes funcions. Això pot ser conseqüència de la considerable diferenciació genètica observada entre soques. L'estudi també identifica molècules sensibles al pH potencialment relacionades amb l'extrusió de protons, els mecanismes de concentració de carboni (CCM) de les diatomees i la biomineralizació del silici.

El creixement i les respostes moleculars van mostrar que el pH àcid és un entorn ecològicament més diferent que les condicions de pH neutre i alcalí per a les diatomees. El caràcter distintiu del pH àcid com a desafiament eco-evolutiu està probablement relacionat amb l'origen marí de les diatomees i l'àmplia distribució regional d'aigües dolces amb pH neutre en tot el planeta. És probable que la supervivència a pH àcid requereixi l'aparició de noves adaptacions específicament dirigides a aquestes condicions, la qual cosa concorda amb el fet que l'aleatorietat mutacional exerceixi un paper rellevant en l'evolució adaptativa.

Aquesta recerca és el primer pas essencial per a descobrir els mecanismes que expliquen la sensibilitat de les diatomees al pH, que fins ara s'havia passat per alt malgrat que el pH és un factor ecològic principal de la segregació d'espècies de diatomees en aigües continentals. Aquest estudi mostra una notable variabilitat interespecífica en les respostes a la variació del pH i aporta proves que els ambients àcids representen un entorn desafiador per a les diatomees des d'una perspectiva eco-evolutiva. L'augment antropogènic de l'acidesa en ambients d'aigua dolça accentua encara més la importància de dilucidar els mecanismes genètics que expliquen a la tolerància al pH, particularment als ambients àcids.

Esta tesis proporciona una visión general de los mecanismos moleculares que responden a una amplia gama de condiciones de pH en especies de diatomeas de agua dulce filogenéticamente distintas. Las diatomeas son un grupo diverso de algas eucariotas pertenecientes a los estramenopilos (heterocontos). Constituyen uno de los grupos aquáticos más dominantes y ubicuos, desempeñanando importantes funciones ecológicas y biogeoquímicas. Las diatomeas se originaron en aguas marinas hace unos 190 millones de años, y diferentes clados han invadido posteriormente hábitats de agua dulce. Dado el amortiguamiento del pH del océano, es probable que los gradientes continentales de pH sean uno de los principales impulsores del cambio evolutivo. Las diatomeas de agua dulce son muy sensibles a los cambios ambientales de pH. Sin embargo, existe poca información sobre los mecanismos genéticos que subyacen a esta sensibilidad y a la resultante segregación de especies a lo largo del gradiente de pH.

El objetivo principal de esta tesis era investigar las respuestas moleculares de diatomeas de agua dulce filogenéticamente distantes a una amplia gama de condiciones de pH, en particular a los ambientes ácidos. Para ello, se cultivaron doce cepas de diatomeas en condiciones ácidas, neutras y alcalinas en un experimento de transplantación. Las doce cepas abarcaban un amplio rango filogenético dentro del clado de diatomeas pennadas rafídicas, incluyendo especies de los géneros Nitzschia, Tryblionella, Eunotia, Navicula, Achnanthidium, Gomphonema y Encyonopsis. Las doce cepas mostraron patrones de crecimiento contrastados a lo largo del gradiente de pH, con un aparente conservadurismo filogenético del nicho de pH restringido a rangos taxonómicos inferiores y con fuerza variable entre clados.

Los cambios ambientales de pH provocaron la regulación de una gran cantidad de funciones moleculares y procesos biológicos en las diatomeas. Muchas proteínas afectadas estaban implicadas en el ajuste de la expresión en respuesta a estímulos, presumiblemente para satisfacer requisitos fisiológicos dictados por factores ambientales. Este estudio demuestra que las respuestas a los cambios de pH de funciones conocidas mostraron una especificidad de cepa sustancial a pesar de que las cepas compartían una proporción significativa de estas funciones. Esto puede ser consecuencia de la considerable diferenciación genética observada entre cepas. El estudio también identifica moléculas sensibles al pH potencialmente relacionadas con la extrusión de protones, los mecanismos de concentración de carbono (CCM) de las diatomeas y la biomineralización de la sílice.

El crecimiento y las respuestas moleculares mostraron que el pH ácido es un entorno ecológicamente más distinto que las condiciones de pH neutro y alcalino para las diatomeas. El carácter distintivo del pH ácido como desafío ecoevolutivo está probablemente relacionado con el origen marino de las diatomeas y la amplia distribución regional de aguas dulces con pH neutro en todo el planeta. Es probable que la supervivencia a pH ácido requiera la aparición de nuevas adaptaciones específicamente dirigidas a esas condiciones, lo que concuerda con que la aleatoriedad mutacional desempeñe un papel relevante en la evolución adaptativa.

Esta investigación es el primer paso esencial para descubrir los mecanismos que subyacen a la sensibilidad de las diatomeas al pH, que hasta ahora se había pasado por alto a pesar de que el pH es un factor ecológico principal de la segregación de especies de diatomeas en aguas continentales. Este estudio muestra una notable variabilidad interespecífica en las respuestas a la variación del pH y aporta pruebas de que los ambientes ácidos representan un entorno desafiante para las diatomeas desde una perspectiva ecoevolutiva. El aumento antropogénico de la acidez en ambientes de agua dulce acentúa aún más la importancia de dilucidar los mecanismos genéticos que subyacen a la tolerancia al pH, particularmente a los ambientes ácidos.

This thesis provides a comprehensive overview of the molecular mechanisms responding to a wide range of pH conditions in phylogenetically distinct freshwater diatom species. Diatoms are a remarkably diverse group of eukaryotic algae belonging to the Stramenopiles (Heterokonts). They constitute one of the most dominant and ubiquitous groups in aquatic environments, in which they play significant ecological and biogeochemical roles. Diatoms originated in marine waters around 190 million years ago, and many clades have subsequently invaded freshwater habitats. Given the buffered pH conditions in the ocean, continental pH gradients are likely among the primary drivers of evolutionary change. Freshwater diatoms are highly sensitive to pH changes in their environment. However, there is limited information on the genetic mechanisms underlying their sensitivity to pH and the resulting species segregation along the pH gradient.

The main goal of this thesis was to investigate the molecular responses of phylogenetically distant freshwater diatoms to a wide range of pH conditions to elucidate potential adaptive mechanisms determining diatom sensitivity to pH, particularly to acidic environments. To this end, twelve diatom strains were grown under acidic, neutral, and alkaline conditions in a common garden experiment. The twelve strains encompassed a broad phylogenetic range within the raphid pennate clade of diatoms, including species from the genera Nitzschia, Tryblionella, Eunotia, Navicula, Achnanthidium, Gomphonema, and Encyonopsis. The twelve strains exhibited contrasting growth patterns along the pH gradient, with an apparent phylogenetic pH niche conservatism restricted to lower taxonomic ranks and with variable strength among clades.

Environmental pH changes among acidic, neutral, and alkaline pH conditions caused the regulation of a myriad of molecular functions and biological processes across diatoms. Many affected proteins were involved in expression tuning in response to stimuli, presumably to meet physiological requirements dictated by environmental factors. This study demonstrates that the responses of known functions to pH changes exhibited substantial strain-specificity despite strains sharing a significant proportion of these functions. This may be a consequence of the substantial genetic differentiation observed across strains. The study also identifies pH-responsive molecules potentially related to proton extrusion, diatom carbon-concentrating mechanisms (CCM), and silica biomineralization.

Growth and molecular responses showed that acidic pH is a more ecologically distinct environment than neutral and alkaline pH conditions for diatoms. The distinctiveness of acidic pH as an eco-evolutionary challenge is probably related to the marine ancestry of diatoms and the widespread regional distribution of pH-circumneutral fresh waters across the planet. Survival at acidic pH likely requires the emergence of new adaptations specifically targeted to low pH, which is consistent with mutational randomness playing a relevant role in adaptive evolution.

This research is the first essential step for uncovering the mechanisms underlying the diatom sensitivity to pH, which has been overlooked until now despite pH being a main ecological factor of diatom species segregation in inland waters. This study shows remarkable inter-specific variability in responses to pH variation and provides evidence that acidic environments represent a challenging environment for diatoms from an eco-evolutionary perspective. The anthropogenic increase in acidity in freshwater environments further underscores the significance of elucidating the genetic mechanisms underlying pH tolerance, particularly at low pH.