Unravelling protist trophic relationships at the microscale: Insights from chemotactic interactions and responses to light-stress events

Abstract

Els microorganismes són imprescindibles per la vida als oceans, on regulen el flux d'energia i matèria a través de les xarxes tròfiques. Els gradients químics, modulats per les respostes fisiològiques individuals i les interaccions tròfiques, enllacen les connexions i les respostes dels ecosistemes amb les pertorbacions ambientals. Aquesta tesi té com principal objectiu aprofundir en el comportament i els hàbits alimentaris dels protistes heteròtrofs. Concretament, hem estudiat dos factors involucrats en la depredació selectiva: la quimiotaxi i l'estrès lumínic. Al capítol 1 hem utilitzat microcapil·lars i eines d'anàlisi d'imatges per caracteritzar el comportament quimiotàctic de tres protistes heteròtrofs (Oxyrrhis marina, Karlodinium armiger i Gyrodinium dominans) vers tres compostos: dimetilsulfoniopropionat (DMSP), dimetilsulfur (DMS) i acrilat. Aquets compostos són coneguts per la seva presència generalitzada a l'oceà, per les seves funcions fisiològiques i pel seu potencial quimiotàctic. Mentre el DMSP ha mostrat una atracció química significativa en tots tres protistes, el DMS només ha provocat respostes febles i variables. L’acrilat no ha provocat ni atracció ni repulsió de manera consistent en cap dels tres organismes. En resposta als gradients de DMSP, els organismes han mostrat comportaments quimiotàctics diferents, relacionats amb l’estratègia alimentària de cadascun. L'agregació d' O. marina i de K. armiger al voltant de la font de DMSP en absència de presa real respon a la seva capacitat d'incorporació osmotròfica de DMSP. Per contra, G. dominans, fagòtrof estricte sense capacitat d’incorporació de DMSP, utilitza aquest compost només com a senyal en la recerca de presa i, en absència d’aquesta, acaba abandonant la font de DMSP. En el capítol 2 hem explorat el potencial quimiotàctic del DMSP, el DMS i l’acrilat en comunitats naturals, utilitzant un dispositiu dissenyat per experiments de quimiotaxi in situ. Els artefactes metodològics i la manca de respostes consistents han dificultat la caracterització del paper d'aquests compostos en condicions naturals. Al capítol 3 hem examinat l'impacte de l'estrès fisiològic de les preses sobre la depredació i viceversa. Durant els experiments, monitoritzàvem l'eficiència fotosintètica i l'alliberament de DMSP de les comunitats fotosintètiques, i les taxes de depredació del microzooplàncton. La caracterització de la resposta del fitoplàncton a irradiàncies altes (incloent-hi la llum UV) ha revelat la importància de la història lumínica de la comunitat en determinar l’abast de l’estrès en l’eficiència fotosintètica. Altrament, la composició taxonòmica de la comunitat era el factor determinant principal en l’alliberament de DMSP a causa de l’estrès lumínic. Tal com esperàvem, l'estrès lumínic induïa un consum més ràpid del fitoplàncton en comunitats naturals. Per contra, un sistema model amb organismes de cultiu (G. dominans vs Isochrysis galbana) mostrava el patró oposat. Hem explorat també si la depredació influïa en la recuperació de l’eficiència fotosintètica, utilitzant tres mètodes: (i) la tècnica de dilucions seriades amb comunitats naturals, (ii) l'addició d'un depredador cultivat (G. dominans) a comunitats naturals, i (iii) l'addició d'un depredador cultivat (G. dominans) a una cultiu fotosintètic (I. galbana). En tots els experiments, l'eficiència fotosintètica es recuperava fins assolir almenys el 65% de l’eficiència original (pre-estrès) en un termini de 3-8 hores. Les taxes de depredació més altes coincidien amb una recuperació més ràpida de l'eficiència fotosintètica en la majoria dels experiments. La depredació preferencial de les preses estressades, probablement induïda per l'alliberament de DMSP o altres compostos quimiotàctics, és l’explicació més plausible a la influència de la depredació en la recuperació de l'estrès. Tanmateix, l'observació d’aquesta mateixa influència en el sistema model, malgrat que mostrava un patró de depredació oposat, suggereix la implicació d'altres factors. En conjunt, aquesta tesi aporta una nova perspectiva sobre el paper de l’estrès lumínic i la quimiotaxi en les interaccions tròfiques a la microescala.

Los microrganismos son imprescindibles para la vida en los océanos, dónde regulan el flujo de energía y materia de las redes tróficas marinas. Los gradientes químicos, modulados por las respuestas fisiológicas individuales y las interacciones tróficas, entrelazan las conexiones y las repuestas de los ecosistemas con las perturbaciones ambientales. Esta tesis tiene como objetivo explorar el comportamiento y los patrones alimentarios de los protistas heterótrofos. Concretamente, hemos estudiado dos factores involucrados en la depredación selectiva: la quimiotaxis y el estrés ambiental lumínico. En el capítulo 1 se utilizaron microcapilares y herramientas de análisis de imágenes para caracterizar el comportamiento quimiotáctico de tres protistas heterótrofos (Oxyrrhis marina, Karlodinium armiger y Gyrodinium dominans) hacia tres compuestos: dimetilsulfoniopropionato (DMSP), dimetilsulfuro (DMS) y acrilato. La importancia de estos metabolitos se debe a su abundancia generalizada en el océano, sus funciones fisiológicas y su potencial quimiotáctico. Mientras que el DMSP indujo una quimioatracción significativa en los tres protistas, el DMS solo motivó respuestas débiles y variables. El acrilato no impulsó de forma consistente ni repulsión ni atracción. En respuesta a los gradientes de DMSP, los organismos demostraron comportamientos quimiotácticos diferentes, ligados a su estrategia alimentaria. La agregación de O. marina y K. armiger alrededor de la fuente de DMSP en ausencia de presa real, responde a su capacidad osmotrófica de obtención de DMSP. Contrariamente, el fagótrofo estricto G. dominans incapaz de absorber DMSP, utiliza este compuesto solo como señal de búsqueda y termina abandonando la fuente de DMSP después de una búsqueda infructuosa, El capítulo 2 exploramos el potencial quimiotáctico del DMSP y sus compuestos derivados en comunidades naturales, utilizando un dispositivo para ensayos de quimiotaxis in situ. Los artefactos metodológicos y la falta de respuestas consistentes dificultaron la caracterización del papel de estos metabolitos en condiciones naturales. En el capítulo 3, examinamos el impacto del estrés fisiológico de las presas en la depredación y viceversa. En los experimentos monitorizamos la eficiencia fotosintética y la liberación de DMSP de las comunidades y las tasas de depredación del microzooplancton. La caracterización de la respuesta del fitoplancton a irradiancias altas (incluyendo luz UV) reveló la importancia del historial lumínico de la comunidad para determinar el impacto en la eficiencia fotosintética. En cambio, la composición de la comunidad fue el principal factor influyente en la liberación de DMSP ante el estrés lumínico. Como hipotetizamos, el estrés lumínico indujo un consumo más rápido del fitoplancton en comunidades naturales. Sin embargo, se observó el patrón opuesto en un sistema modelo con cultivos (G. dominans vs Isochryris galbana). Exploramos también si la depredación influía en la recuperación del fitoplancton del estrés lumínico utilizando tres escenarios: (i) diluciones seriadas de comunidades naturales, (ii) la adición de un depredador cultivado (G. dominans) a comunidades naturales, y (iii) la adición de un depredador cultivado (G. dominans) a un cultivo de fitoplancton (I. galbana). En todos los experimentos, la eficiencia fotoquímica se recuperó hasta alcanzar como mínimo el 65% de la eficiencia original (pre-estrés) en un tiempo de 3 a 8 horas. Las tasas de depredación altas coincidieron con una recuperación más rápida de la eficiencia fotosintética en la mayoría de los experimentos. La depredación preferencial de los individuos estresados, probablemente mediada por la liberación de DMSP u otros quimioatrayentes, es la mejor explicación detrás la influencia de la depredación en la recuperación del estrés. Sin embargo, la observación de la misma influencia en el sistema modelo, donde el patrón de depredación resultó opuesto, sugiere la implicación de otros factores. En general, esta tesis proporciona nuevos conocimientos sobre el papel de la quimiotaxis y del estrés lumínico en las interacciones tróficas de la microescala.

Marine microbial life dominates the Earth's oceans, dictating the energy and matter flow within marine trophic networks. Chemical gradients, influenced by individual physiological responses and trophic interactions, link connections and responses at the ecosystem level to environmental disturbances. Therefore, understanding trophic relationships requires studying chemically based interactions and their environmental drivers. This thesis aims at further exploring the feeding behaviour of heterotrophic protists, the main grazers of primary production. Two major potential drivers of selective grazing are studied: chemotaxis and environmental stress. In chapter 1 we used the microcapillary technique and image analysis tools to characterize the chemotactic behaviour of three heterotrophic protists (Oxyrrhis marina, Karlodinium armiger, and Gyrodinium dominans) towards the phytoplankton-derived compounds dimethylsulfoniopropionate (DMSP), dimethylsulfide (DMS), and acrylate. Amongst the many metabolites acting as infochemicals in the marine system, DMSP and its degradation compounds are notably significant due to their widespread abundance in the ocean, their role in phytoplankton responses to physiological stress and their chemotactic potential. While chemoattraction by DMSP was observed in the three protists, DMS induced weaker and variable responses and acrylate did not induce neither repulsion nor consistent attraction. Additionally, the chemotactic response to DMSP revealed distinct behaviours related to the protists’ feeding strategies. In the presence of prey-signalling cue but absence of actual prey, O. marina and K. armiger aggregation around the DMSP source can be linked to their ability for osmotrophic uptake of DMSP. Conversely, the strict phagotroph G. dominans, which is not able to take up DMSP, used this compound only as signal for prey search, ultimately switching to ballistic swimming to promptly leave the cue patch. Chapter 2 explored the chemotactic potential of DMSP and derived compounds in natural communities, using a device for in situ chemotaxis assays. Methodological artefacts and lack of consistent responses, hindered the characterization of the role of these metabolites in in situ conditions. In chapter 3, the impact of sunlight-derived physiological stress of the prey on grazing, and vice-versa, were examined. We monitored the photosynthetic efficiency and the DMSP release of phytoplankton assemblages, and microzooplankton grazing rates. The characterization of the phytoplankton response to high light exposure (including UV) revealed the importance of the previous light-history of the community in determining the impact of high irradiance on photosynthetic efficiency. Likewise, community composition was the main factor determining DMSP release upon light-stress. Interestingly, light-stress induced faster phytoplankton consumption by microzooplankton in natural communities. However, the opposite pattern was observed in a model system with cultured strains (the dinoflagellate G. dominans feeding on the haptophyte Isochryris galbana). We then aimed to explore whether grazing influenced the phytoplankton recovery from light-stress using three approaches: (i) the dilution of natural communities, (ii) the addition of a cultivated grazer (G. dominans) to natural communities, and (iii) the addition of a cultivated grazer (G. dominans) to a cultivated phytoplankton population (I. galbana). In all experiments, after alleviating light-stress, recovery of the photochemical efficiency to >65% of its value before the stress was achieved within 3 to 8 hours. Faster grazing was accompanied by faster recovery of the photosynthetic efficiency across most of the experiments. Preferential grazing on the stressed prey individuals, probably mediated by the release of DMSP or other chemoattractants, is the best explanation behind the positive influence of grazing on recovery from stress. However, the observation of the same pattern in the model system, where grazing was faster on non-stressed prey, suggests the implication of other factors. Overall, this thesis provides new insights regarding the role of chemotaxis and light-stress events in trophic interactions at the microscale.