Universität zu Köln

Živaljić, Suzana (2020). Influence of hydrostatic pressure on deep-sea protists. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Although the abyssal seafloor represents the most common benthic environment on Earth, eukaryotic microbial life at abyssal depths is still an uncharted territory. This is in striking contrast to their potential importance regarding the material flux and bacteria consumption in the deep sea. However, deep-sea organisms have to cope with extreme environmental conditions including low food resources, low temperatures, darkness and high pressure, making life more challenging in the deep sea in comparison to surface waters. Despite the vastness of this biotope, most recent studies are based on protists inhabiting the euphotic zone, while deep-sea protistan assemblages remain largely uncharacterized. There are only very few cultures available from protists originating from the deep sea (>3000 m). However, using next generation sequencing technology, a large variety of protist genotypes were determined from deep-sea samples. Whether these protists genotypes originate from vital deep-sea populations or from cysts of organisms sedimented down from surface waters is still an unsolved problem. To contribute to a solution of this problem, we analysed the principal ability of cultivable surface and deep-sea isolates of heterotrophic flagellates of different phylogenetic groups (choanoflagellates, ancyromonads, euglenids, kinetoplastids, bicosoecids, chrysomonads, and cercozoans) to survive exposure to high hydrostatic pressure (up to 670 bar). Obtained results demonstrated that many different flagellate species isolated from the surface waters and deep-sea sediments survived drastic changes in hydrostatic pressure. Also, barophilic behaviour was recorded for several species isolated from the deep sea indicating their possible genetic adaptation to high pressures. To check the activity of heterotrophic flagellates at high hydrostatic pressures, the movement of three euglenids strains (Keelungia nitschei, Petalomonas acorensis, Ploeotia costaversata) was directly observed under different pressures. These experiments showed that the deep-sea strain K. nitschei was better adapted to high hydrostatic pressures (up to 500 bar) than the two surface strains, P. acorensis and P. costaversata. Also, the first deep-sea ciliate species, Euplotes dominicanus, could be described in the frame of this study based on morphology and molecular phylogeny. To our knowledge, this is the first time that a new ciliate species from abyssal depths of the North Atlantic Ocean (> 4000 m) was isolated, successfully cultivated and morphologically characterized alive. Metabarcoding data demonstrate the presence of E. dominicanus in sediments of several deep-sea basins. Further on, the long-term survival experiments were carried out for E. dominicanus and two additional deep-sea ciliates, Aristerostoma sp. and Pseudocohnilembus persalinus, up to 430 bar. Some individuals showed an ability to survive high pressure and to recover (returning to their normal movement) indicating their barotolerance. In addition, the behaviour of these three deep-sea ciliates was directly observed under different pressures. The typical behavioural elements for all three ciliates were observed at least at a pressure of up to 200 bar. This study suggests that ciliates and heterotrophic flagellates inhabit deep-sea waters and should be an active part of deep-sea microbial communities.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Obwohl der abyssale Meeresboden den größten benthischen Lebensraum auf der Erde darstellt, ist das eukaryotische mikrobielle Leben in den abyssalen Tiefen noch immer sehr schlecht untersucht. Dies steht im krassen Gegensatz zur potenziellen Bedeutung der einzelligen Eukaryoten (Protisten) für den Stofffluss und den Bakterienkonsum in der Tiefsee. Tiefseeorganismen sind mit extremen Umweltbedingungen wie niedrigen Nahrungsressourcen, niedrigen Temperaturen, Dunkelheit und hohem Druck konfrontiert, was das Leben in der Tiefsee im Vergleich zu Oberflächengewässern schwierig macht. Trotz der Größe des Lebensraums Tiefsee basieren alle bisherigen Studien an Protisten auf Untersuchungen in der euphotischen Zone, Tiefsee-Protisten blieben bisher weitgehend unberücksichtigt. Von Protisten aus großen Tiefen (>3000 m) gibt es nur sehr wenige Kulturen. Metabarcoding Untersuchungen an Tiefseeproben ergaben eine hohe Diversität an Genotypen von Protisten. Diese können von Protisten, die in der Tiefsee aktiv sind oder von Zysten herrühren, die von Organismen stammen könnten, die sich aus Oberflächengewässern sedimentiert sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zunächst die Fähigkeit heterotropher Flagellaten aus verschiedenen phylogenetischer Gruppen (Choanoflagellaten, Ancyromonaden, Eugleniden, Kinetoplastiden, Bicosoeciden, Chrysomonaden und Cercozoen), die aus Oberflächengewässern und der Tiefsee isoliert wurden, geprüft, ob sie eine Exposition bei hohen hydrostatischen Drücken (bis zu 670 bar) überleben. Die Ergebnisse zeigten, dass viele verschiedene Flagellatenarten drastische Änderungen des hydrostatischen Drucks überstehen. Außerdem wurde für mehrere aus der Tiefsee isolierte Arten barophiles Verhalten festgestellt, was auf eine mögliche genetische Anpassung an hohe Drücke hindeutet. Um die Aktivität heterotropher Flagellaten unter den Bedingungen hohen hydrostatischer Drücke zu überprüfen, wurde die Bewegung von drei Eugleniden-Arten (Keelungia nitschei, Petalomonas acorensis, Ploeotia costaversata) direkt unter verschiedenen Drücken beobachtet. Diese Versuche zeigten, dass der Tiefseestamm K. nitschei besser an hohe hydrostatische Drücke (bis zu 500 bar) angepasst war als die beiden Oberflächenstämme P. acorensis und P. costaversata. Außerdem wurde eine neue Tiefsee-Ciliatenart, Euplotes dominicanus, basierend auf Morphologie, und molekularer Identität beschrieben. Nach unserer Kenntnis wurde zum ersten Mal eine Ciliatenart aus den Tiefen des Nordatlantiks (> 4000 m) isoliert, erfolgreich kultiviert und morphologisch charakterisiert. Metabarcoding-Daten belegen das Vorkommen von E. dominicanus in Sedimenten mehrerer Tiefseebecken. Weiterhin wurden Langzeitexperimente zum Überleben von E. dominicanus und zwei weiteren Tiefseeciliaten-Arten, Aristerostoma sp. und Pseudocohnilembus persalinus (bis zu 430 bar) durchgeführt. Einige Individuen zeigten die Fähigkeit, hohen Druck zu überleben und sich zu erholen (Rückkehr zu ihrer normalen Bewegung), was auf ihre Barotoleranz hinweist. Darüber hinaus wurde das Verhalten dieser drei Tiefseeciliaten bei Exposition bei unterschiedlichem Druck beobachtet. Die typischen Verhaltenselemente konnten für alle drei Ciliatenarten mindestens bis zu einem Druck von 200 bar beobachtet werden. Diese Studie legt nahe, dass Ciliaten und heterotrophe Flagellaten eine wichtige und aktive Komponente des Abyssals darstellen sollten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Živaljić, Suzana suzana.kevric@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-299114
Date:	2020
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Deep-sea protists English high hydrostatic pressure English barotolerance English behaviour English
Date of oral exam:	16 January 2020
Referee:	Name Academic Title Arndt, Hartmut Prof. Dr. Lampert, Kathrin PD Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/29911