Analyzing biogeographical patterns of microbial communities from the Atlantic Ocean and the characterization of the microbial community and toxicity from the dinoflagellate Prorocentrum cordatum
Marine microorganisms fuel marine life and directly influence biochemical cycles on a planetary scale. Their study, as independent individuals, and the microbial communities they belong to, is crucial for understanding the marine ecosystem. Therefore, the work presented here is divided into two parts. In the first part, via taxonomic diversity and co-occurrence analysis, we compared and explored the biogeography of microbial communities at a basin scale, specifically from the Atlantic Ocean. Second, we focus on studying the cosmopolitan, bloom-forming dinoflagellate Prorocentrum cordatum by characterizing its microbiome, growth patterns, and toxic activity when grown at three different temperatures.
1. High-throughput sequencing of rRNA genes provides community composition at high resolution, yet it is unclear how the choice of primers affects biogeographic patterns. We re-amplified 16S rRNA genes from DNA sampled during R/V Polarstern Cruise ANT28-5 over a latitudinal transect across the Atlantic Ocean from 52°S to 47°N using universal primers covering the V4-V5 regions of the 16S rRNA gene and compared the results with those obtained previously with V5-V6 bacteria-specific primers. A U-shaped distance-decay relationship and a decrease in bacterioplankton diversity in equatorial latitudes compared to mid-latitudes were maintained on the new dataset. However, a change in methodology generated differences in patterns based on community richness and in community composition, such as differences in the relative abundance of SAR11 clades. The V4-V5 provided archaea and 18S communities not analyzed previously with the V5-V6 primer set. A bimodal latitudinal diversity gradient was also observed for archaea and micro-eukaryotes. However, only archaea richness peaked at 15–20°C, and the U-shaped distance-decay relationship was present only for the particle-associated archaea community. We complemented the biogeographical patterns with co-occurrence network analysis, providing evidence of geographical co-occurrence patterns between prokaryotic communities across a latitudinal transect. Networks from the southernmost latitudes showed more and stronger connections, followed by networks from temperate latitudes, with networks located in the tropical and subtropical latitudes showing the lowest connectivity and strength. Environmental parameters had a different degree of influence on the topology of networks. While the topology of networks from the southernmost and tropical latitudes had no or weak correlation with temperature and nutrients, the topology of networks from temperate latitudes was highly correlated with environmental factors.
2. We studied by 16S rRNA gene amplicon sequencing; the microbial communities associated with four strains of P. cordatum maintained in culture collection for decades but isolated from distant geographical locations. Each strain had its unique bacterial community; however, a core community of 14 ASVs was found on all strains when grown at 20 °C. Higher temperatures (26 °C and 30 °C) resulted in specific changes in each phycosphere microbiome, including an increased abundance of rare ASVs. We then compared the growth of the four xenic cultures to that of the axenic strain CCMP1329. At 20°C, the xenic cultures showed a longer stationary phase than the axenic one, while at 26°C, all xenic cultures showed a death phase, not seen in the axenic strain. At 30°C, only two of the xenic cultures were able to grow. The dinoflagellate mixotrophy and competition between dinoflagellate and bacteria for limiting nutrients may contribute to these differences in grown patterns. Finally, neurotoxicity for all P. cordatum strains was explored via cytotoxicity assay by exposing N2a cells to dinoflagellate extracts. All isolates presented cell viability recovery, an indication of ion channel blockage activity. However, the presence of false positives induced by cell viability measurements could not be discarded. No toxic compounds were identified via HPLC-MS analysis from the axenic strain extract, although two compounds were characterized as AHLs, suggesting the production of AHL in dinoflagellates for the first time.
Marine Mikroorganismen versorgen das marine Leben und beeinflussen direkt biochemische Zyklen auf planetarer Ebene. Ihre Untersuchung als unabhängige Individuen und die mikrobiellen Gemeinschaften, zu denen sie gehören, ist entscheidend für das Verständnis des marinen Ökosystems. Daher ist die hier vorgestellte Arbeit in zwei Teile unterteilt. Im ersten Teil haben wir über die taxonomische Vielfalt und Kookkurrenz-Analyse die Biogeographie mikrobieller Gemeinschaften auf Beckenebene verglichen und erforscht, speziell aus dem Atlantischen Ozean. Im zweiten Teil konzentrieren wir uns auf die Untersuchung des kosmopolitischen, blütenbildenden Dinoflagellaten Prorocentrum cordatum, indem wir sein Mikrobiom, Wachstumsmuster und toxische Aktivität bei drei verschiedenen Temperaturen charakterisieren. 1. Die Hochdurchsatz-Sequenzierung von rRNA-Genen liefert eine Gemeinschaftszusammensetzung in hoher Auflösung, aber es ist unklar, wie die Wahl der Primer biogeografische Muster beeinflusst. Wir haben 16S-rRNA-Gene aus DNA, die während der R/V Polarstern Cruise ANT28-5 entlang eines Breitengradschnitts über den Atlantischen Ozean von 52°S bis 47°N gesammelt wurde, mit universellen Primern, die die V4-V5-Regionen des 16S-rRNA-Gens abdecken, neu amplifiziert und die Ergebnisse mit denen verglichen, die zuvor mit V5-V6 bakterienspezifischen Primern erhalten wurden. Eine U-förmige Distance-Decay- Relationship wurde im neuen Datensatz beibehalten, ebenso wie eine Abnahme der Bakterioplankton-Diversität in äquatorialen Breiten im Vergleich zu mittleren Breiten. Allerdings führte eine Änderung der Methodik zu Unterschieden in den Mustern der Gemeinschaftsgröße und -zusammensetzung, wie zum Beispiel Unterschiede im relativen Anteil von SAR11-Kladen. Die V4-V5-Region ermöglichte die Analyse von Archaea- und 18S-Communities, die zuvor nicht mit dem V5-V6-Primer-Set untersucht wurden. Archaea und Mikro-Eukaryoten zeigten ebenfalls einen bimodalen Breiten-Diversitätsgradienten. Allerdings erreichte nur die Archaeavielfalt bei 15-20°C ihren Höhepunkt, und die U-förmige Distance-Decay- Relationship war nur für die an Partikeln gebundenen Archaea-Community vorhanden. Wir ergänzten die biogeografischen Muster durch eine Co-Occurrence-Netzwerkanalyse und lieferten damit Belege für geografische Kookkurrenz-Muster zwischen prokaryotischen Gemeinschaften entlang eines Breitengradient. Netzwerke aus den südlichsten Breiten zeigten mehr und stärkere Verbindungen, gefolgt von Netzwerken aus gemäßigten Breiten, während Netzwerke aus den tropischen und subtropischen Breiten die geringste Konnektivität und Stärke aufwiesen. Umweltparameter hatten einen unterschiedlichen Einfluss auf die Topologie der Netzwerke. Während die Topologie der Netzwerke aus den südlichsten und tropischen Breiten keine oder eine schwache Korrelation mit Temperatur und Nährstoffen aufwies, war die Topologie der Netzwerke aus den gemäßigten Breiten stark mit Umweltfaktoren korreliert. 2. Wir haben mittels 16S-rRNA-Gen-Amplicon-Sequenzierung die mikrobiellen Gemeinschaften von vier Stämmen von P. cordatum untersucht, die seit Jahrzehnten in einer Kultursammlung aufbewahrt werden, aber aus entfernten geografischen Standorten isoliert wurden. Jeder Stamm hatte seine eigene einzigartige bakterielle Gemeinschaft. Eine Kerngemeinschaft von 14 ASVs wurde jedoch bei allen Stämmen gefunden, wenn sie bei 20°C angebaut wurden. Höhere Temperaturen (26°C und 30°C) führten zu spezifischen Veränderungen in jedem Phykosphärenmikrobiom, einschließlich einer erhöhten Häufigkeit seltener ASVs. Wir verglichen dann das Wachstum der vier xenischen Kulturen mit dem des axenischen Stammes CCMP1329. Bei 20°C zeigten die xenischen Kulturen eine längere Stationärphase als der axenische Stamm, während bei 26°C alle xenischen Kulturen eine Absterbephase zeigten, die beim axenischen Stamm nicht zu sehen war. Bei 30°C konnten nur zwei der xenischen Kulturen und die axenische Stamm wachsen. Die Mixotrophie des Dinoflagellaten und der Wettbewerb zwischen Dinoflagellat und Bakterien um begrenzende Nährstoffe könnten zu diesen Unterschieden im Wachstumsmuster beitragen. Schließlich wurde die Neurotoxizität aller P. cordatum-Stämme mittels eines Zytotoxizitätstests erforscht, indem N2a-Zellen Extrakten des Dinoflagellaten ausgesetzt wurden. Alle Isolate zeigten eine Wiederherstellung der Zellviabilität, ein Indikator für die Blockierungsaktivität von Ionenkanälen. Die Möglichkeit falsch positiver Ergebnisse aufgrund der Messung der Zellviabilität konnte jedoch nicht ausgeschlossen werden. Es wurden keine toxischen Verbindung im axenische Stamm Extrakt mittels HPLC-MS-Analyse identifiziert, obwohl zwei Verbindung als AHLs charakterisiert wurden, was auf die Produktion von AHLs in Dinoflagellaten zum ersten Mal hindeutet.
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