High resolution analysis of local and global protistan soil community structures using morphological and modern molecular techniques

Domonell, Anne Kathrin (2013). High resolution analysis of local and global protistan soil community structures using morphological and modern molecular techniques. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

The unicellular protists inhabit all types of aquatic and terrestrial environments. This thesis is focused on terrestrial protistan communities where they contribute significantly to mineralization processes and key ecosystem functions, as they are major consumers of bacterial production. The protistan soil communities of grassland and forest sites with a different land use were morphologically and molecularly investigated in this study. The morphological investigations revealed high protozoan abundances influenced by the intensity of land use. First insights to the community composition, dominated by flagellates and amoebae could be made, giving the basis for further molecular investigations. Cercomonads were the most abundant and diverse flagellates and were analyzed in more detail, resulting in new description of species. Next generation sequencing (NGS) of the V4 SSU rDNA on the same soil sites was applied. The development of an analysis pipeline for NGS data made in this study, led to a high resolution of the protistan community. This resulted in the first detailed study down to species level of total protistan community structures in soil. Several isolated and newly described species could be recovered by NGS in various samples, indicating that several very common protozoan species in soil have been overlooked. A combination of morphological and molecular studies of soil protistan flagellate communities is unique. Members of the SAR group dominated the protistan communities and land use effects by changes of testate amoebae and ciliates could be registered. Further investigations of Arctic, Antarctic and USA samples, confirmed protistan communities to be dependent on the habitat, but independent on the geographic region. The idea of unrestricted global distribution by air was supported by several genotypes reported from a variety of globally distant sites. The assumed pathways by air were supported by air, ice, snow and soil samples of a low anthropogenic influenced site in Greenland.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Hochauflösende Analysen der lokalen und globalen Protisten Gemeinschaftsstruktur des Bodens unter Verwendung von morphologischen uund molekularen Methoden	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Protisten sind einzellige Eukaryoten, die verschiedenste aquatische und terrestrische Lebensräume besiedeln. In der vorliegenden Arbeit wurden vor allem Protistengemeinschaften in terrestrischen Habitaten untersucht. Als Hauptkonsumenten von Bakterien im Boden tragen sie dort maßgeblich zu Mineralisierungsprozessen und bedeutsamen Ökosystemprozessen bei. Protistengemeinschaften verschiedener Grünland- und Waldböden mit unterschiedlicher Landnutzung wurden mittels morphologischer und molekularer Methoden untersucht. Die morphologischen Untersuchungen konnten dabei hohe Abundanzen an Protozoen (heterotrophe Protisten), beeinflusst durch die Landnutzung, in den untersuchten Böden aufdecken. Zudem waren erste Einblicke in die Zusammensetzung der Protozoengemeinschaften der Böden möglich, die vor allem durch Flagellaten und nackte Amöben dominiert wurden. Cercomonaden, eine der diversesten und abundantesten Flagellaten der Studie, wurden mittels weiterer morphologischer Bestimmungen und phylogenetischer Analysen untersucht. Die Ergebnisse der morphologischen Studien begründeten eine weitere detaillierte Analyse der Protisten im Boden und stellten zugleich die Basis für weitere molekulare Analysen dar. Die morphologisch untersuchten Böden wurden mittels next generation sequencing (NGS) der V4-Region der SSU rDNA vertiefend analysiert. Durch das eingeführte Verfahren zur Analyse der NGS-Daten, konnten sehr detaillierte und umfangreiche Untersuchungen der Protistengemeinschaft durchgeführt werden. Zum ersten Mal wurden so Bodengemeinschaften bis auf das Artniveau hin untersucht. Die Kombination von morphologischen und molekularen Methoden zur Untersuchung von Gemeinschaften von Flagellaten ist einzigartig. Verschiedene isolierte und neubeschriebene Arten wurden mittels NGS wieder aufgefunden und deuten darauf hin, dass einige abundante Arten bisher möglicherweise übersehen wurden. Vertreter der SAR Gruppe (Stramenopiles, Alveolata und Rhizaria) dominierten die mittels NGS analysierten Protistengemeinschaften im Boden. Ein Landnutzungseffekt zeigte sich vor allem im Vorkommen bestimmter Thekaamöben und Ciliaten. Methodische Untersuchungen der NGS-Technik zeigten, dass sich Schlussfolgerungen über das Vorkommen von Arten ziehen lassen, Aussagen über Abundanzen jedoch nur vorsichtig getroffen werden sollten. Weitere Proben aus der Arktis, Antarktis und der USA wurden untersucht und zeigten eine größere Abhängigkeit der Protistengemeinschaft hinsichtlich des Habitats in dem sie leben, als hinsichtlich der geographischen Region, aus der sie stammen. Die Untersuchungen von Luft-, Schnee-, Eis- und Bodenproben eines anthropogen wenig beeinflussten Ortes in Grönland unterstützten, zusammen mit den unterschiedlichen globalen Proben, die Annahme einer unbegrenzten Luftverbreitung von Protisten.

German

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