Culturability, taxonomic novelty and functional genomics of marine bacteria with different trophic strategies

Abstract

Els bacteris són els organismes vius més abundants al mar segons el seu nombre de cèl·lules. Són responsables de la major part de la respiració que té lloc a l’oceà, formen la base de la cadena alimentària i tenen un paper essencial als cicles biogeoquímics de la Terra. Per entendre el funcionament dels ambients marins és crucial investigar la diversitat de les comunitats bacterianes marines a través de metodologies com la seqüenciació, que proporciona una àmplia visió de la dinàmica de la comunitat, i el cultiu, que permet obtenir informació detallada dels organismes cultivats.

L’aïllament de bacteris en cultius purs és una eina molt valuosa, ja que proporciona la possibilitat d’utilitzar els cultius en experiments fisiològics, accedir a genomes d’alta qualitat per tal de, per exemple, inferir el metabolisme dels organismes cultivats, i caracteritzar i descriure vàlidament nous tàxons. La composició i dinàmica de les comunitats microbianes marines estan influïdes per diversos factors com la llum, la disponibilitat de nutrients, la depredació per part de protistes i la lisi viral, però no es coneix gaire sobre com aquests factors afecten la cultivabilitat dels bacteris. Aquesta tesi comença amb l’obtenció de 1.643 aïllats d’experiments de manipulació que van provar la influència d’aquests factors en la comunitat microbiana de l’aigua de mar de la Badia de Blanes (NW Mediterrani). Aquesta col·lecció d’aïllats es descriu al Capítol 1, revelant que, en condicions favorables per al creixement de bacteris copiòtrofs, els bacteris més abundants es poden cultivar utilitzant plaques d’agar, amb aïllats que representen aproximadament el 71% de la comunitat. A més, la nostra col·lecció d’aïllats va incloure 61 soques de probable novetat taxonòmica, demostrant així el potencial dels cultius bacterians per descobrir bacteris prèviament desconeguts.

Encara que s’estima que hi ha 10^12 espècies microbianes a la Terra, la majoria de les quals són procariotes, ara mateix només hi ha unes 25.000 espècies procariotes vàlidament caracteritzades. Per ajudar a omplir aquest buit, el Capítol 2 d’aquesta tesi presenta la caracterització fenotípica, genòmica i filogenòmica de 26 soques de la col·lecció de cultius obtinguda al Capítol 1 i resol el seu estat taxonòmic, donant lloc a la introducció de 23 noves espècies i 6 nous gèneres bacterians. També es descriu la distribució geogràfica de les soques, demostrant la seva ubiqüitat i revelant que representen fraccions significatives de les comunitats microbianes dels oceans globals. Finalment, vam observar que les noves soques tenen rols potencialment rellevants als cicles biogeoquímics marins del carboni, nitrogen, fòsfor, sofre i hidrogen.

L’oceà té típicament una baixa disponibilitat de nutrients i està dominat per bacteris oligòtrofs que no es poden cultivar utilitzant mètodes tradicionals, però els canvis sobtats en les condicions, com els que es produeixen durant un bloom de fitoplàncton, fan que certs tàxons copiòtrofs responguin amb altes taxes de creixement. Alguns d’aquests organismes poden passar d’abundàncies molt baixes a porcions significatives de la població durant curts períodes de temps, en el que anomenem "blooms bacterians". Encara que aquests fenòmens estan ben documentats, es coneix molt poc sobre els mecanismes funcionals subjacents i si tots els bacteris copiòtrofs poden desenvolupar blooms, o només alguns d’ells poden fer-ho depenent de les seves característiques genòmiques. Per respondre aquestes preguntes, el Capítol 3 d’aquesta tesi realitza una anàlisi funcional utilitzant genomes d’aïllats i metagenomes dels experiments de manipulació descrits al Capítol 1. Aquest treball identifica un conjunt de gens funcionals sobrerepresentats en els bacteris que van respondre més als tractaments i atribueix importància a la selecció òptima de codons per a proteïnes ribosòmiques en bacteris capaços de desenvolupar blooms.

Las bacterias son los organismos vivos más abundantes del mar en número de células. Son responsables de la mayor parte de la respiración que ocurre en el océano, forman la base de la cadena alimentaria y juegan un papel esencial en los ciclos biogeoquímicos de la Tierra. Para entender el funcionamiento de los ambientes marinos es crucial investigar la diversidad de las comunidades bacterianas marinas a través de metodologías como la secuenciación, que proporciona una visión amplia de las dinámicas de la comunidad, y los cultivos, que permiten obtener información detallada de los organismos aislados.

El aislamiento de bacterias en cultivos puros es una herramienta muy valiosa, ya que proporciona la posibilidad de utilizarlas en experimentos fisiológicos, acceder a genomas de alta calidad para, por ejemplo, inferir el metabolismo de los organismos cultivados, y caracterizar y describir válidamente nuevos taxones. La composición y dinámica de las comunidades microbianas marinas están influenciadas por varios factores como la luz, la disponibilidad de nutrientes, la depredación por protistas y la lisis viral, pero no se sabe mucho sobre cómo estos factores afectan la capacidad de cultivo de las bacterias. Esta tesis comienza con la obtención de 1.643 aislados bacterianos a partir de experimentos de manipulación que probaron la influencia de dichos factores en la comunidad microbiana del agua de mar de la Bahía de Blanes (noroeste del Mediterráneo). Esta colección de aislados se describe en el Capítulo 1, revelando que, en condiciones favorables para el crecimiento de bacterias copiótrofas, las bacterias más abundantes pueden ser cultivadas utilizando placas de agar, con aislamientos que representan aproximadamente el 71% de la comunidad. Además, nuestra colección de aislados incluyó 61 cepas de probable novedad taxonómica, demostrando así el potencial de los cultivos bacterianos para descubrir bacterias previamente desconocidas.

Aunque se estima que existen 10^12 especies microbianas en la Tierra, la mayoría de las cuales son procariotas, hasta la fecha solo hay unas 25.000 especies procariotas válidamente caracterizadas. Para ayudar a llenar este vacío, el Capítulo 2 de esta tesis presenta la caracterización fenotípica, genómica y filogenómica de 26 cepas de la colección de cultivos obtenida en el Capítulo 1 y resuelve su taxonomía, resultando en la introducción de 23 nuevas especies y 6 nuevos géneros bacterianos. También se describe la distribución geográfica de las cepas, demostrando su ubicuidad y revelando que representan fracciones significativas de las comunidades microbianas del océano global. Finalmente, se observa que las nuevas cepas tienen roles potencialmente relevantes en los ciclos biogeoquímicos marinos del carbono, nitrógeno, fósforo, azufre e hidrógeno.

El océano tiene típicamente una baja disponibilidad de nutrientes y está dominado por bacterias oligotróficas que no se pueden cultivar utilizando métodos tradicionales, pero los cambios repentinos en las condiciones, como aquellos que ocurren durante un bloom de fitoplancton, hacen que ciertos taxones copiótrofos respondan con altas tasas de crecimiento. Algunos de estos organismos pueden pasar de abundancias muy bajas a porciones significativas de la población durante cortos períodos de tiempo, en lo que llamamos "blooms bacterianos". Aunque estos fenómenos están bien documentados, se sabe muy poco sobre los mecanismos funcionales subyacentes y si todas las bacterias copiótrofas pueden desarrollar blooms, o solo algunas de ellas pueden hacerlo dependiendo de sus características genómicas. Para responder a estas preguntas, el Capítulo 3 de esta tesis realiza un análisis funcional utilizando genomas procedentes de aislados y metagenomas de los experimentos de manipulación descritos en el Capítulo 1. Este trabajo identifica un conjunto de genes funcionales sobrerrepresentados en las bacterias que respondieron más a los tratamientos y atribuye importancia a la selección óptima de codones para proteínas ribosómicas en bacterias capaces de desarrollar blooms.

Bacteria are the most abundant living organisms in the sea in terms of cell abundance. They are responsible for most of the respiration occurring in the ocean, form the base of the food chain, and play an essential role on Earth's biogeochemical cycles. To understand the functioning of marine environments it becomes crucial to investigate the diversity of marine bacterial communities through methodologies such as sequencing, which provides a wide picture of the dynamics of the community, and cultivation, which allows to obtain detailed information of the cultured organisms.

Isolating bacteria in pure culture is a highly valuable tool as it provides the possibility of using the cultures in physiological experiments, access high-quality genomes to e.g. infer the metabolism of the cultured organisms and validly characterize and describe new taxa. The composition and dynamics of marine microbial communities are influenced by various factors such as light, nutrient availability, predation by protists, and viral lysis, but there is not much knowledge about how these factors affect the culturability of bacteria. This thesis starts with the obtention of 1,643 isolates from manipulation experiments which tested the influence of the said factors on the microbial community of Blanes Bay seawater (NW Mediterranean). This collection of isolates is described in Chapter 1, revealing that under conditions favorable to the growth of copiotrophic bacteria, the most abundant bacteria can be cultured using agar plates, up to isolates representing ca. 71% of the community. Additionally, our isolate collection included 61 strains of likely taxonomic novelty, thus demonstrating the potential of bacterial cultures to uncover previously unknown bacteria.

Although it is estimated that there are 10^12 microbial species on Earth, most of which are prokaryotes, to date there are only about 25,000 validly characterized prokaryotic species. To help in filling this gap, Chapter 2 of this thesis presents the phenotypic, genomic, and phylogenomic characterization of 26 strains from the culture collection obtained in Chapter 1 and resolves their taxonomic status, leading to the introduction of 23 new species and 6 new bacterial genera. The geographical distribution of the strains is also described, demonstrating their ubiquity and revealing that they represent significant fractions of the microbial communities of the global oceans. Finally, we observed that the novel strains have potentially relevant roles in the marine biogeochemical cycling of carbon, nitrogen, phosphorus, sulfur, and hydrogen.

The ocean has typically low nutrient availability and is dominated by oligotrophic bacteria that cannot be cultured using traditional methods, but sudden changes in conditions, such as those that occur during a phytoplankton blooms, cause certain copiotrophic taxa to respond with high growth rates. Some of these organisms can rise from very low abundances to high portions of the population during short periods of time, in what we call "bacterial blooms". Although these phenomena are well documented, very little is known about the underlying functional mechanisms governing them and whether all copiotrophic bacteria can bloom, or only some of them can do it depending on their genomic traits. To answer these questions, Chapter 3 of this thesis conducts a functional analysis using genomes from isolates and metagenomes from the manipulation experiments described in Chapter 1. This work identifies a set of functional genes overrepresented in the bacteria that responded the most to the treatments and attributes importance to optimal codon selection for ribosomal proteins in bacteria capable of blooming.

This thesis combines cultures with data derived from sequencing and from ecological surveys of the ocean to advance in the collective knowledge of the ecology of marine bacteria, with a focus on copiotrophic taxa, particularly in their diversity, culturability, and functional characteristics.