Universität zu Köln

Geisen, Stefan (2014). Soil Protists Diversity, Distribution and Ecological Functioning. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Soil protists occupy key nodes in soil food webs due to their high abundance, fast turnover and functional importance as bacterial grazers. However, methodological drawbacks obscure the knowledge of soil protists, so that many taxa remain unknown. The structure of natural protist communities and taxa-specific ecological functions are also largely unknown. This thesis aims to increase the knowledge on soil protists using a variety of approaches. In the first part, naked amoebae being presumably the most neglected protist morphogroup were cultivated from several distinct geographical locations across Europe and from high altitude sites in Tibet. During the course of this study, 16 new species and seven new genera were discovered, representing two eukaryotic supergroups (Amoebozoa and Excavata), three classes (Discosea, Variosea and Heterolobosea), and 12 genera (Cochliopodium, Stenamoeba, Acanthamoeba, Ischnamoeba n.g., Darbyshirella n.g., Heliamoeba n.g., Arboramoeba n.g., Angulamoeba n.g., Telaepolella, Schizoplasmodiopsis, Allovahlkampfia and Pagea n.g.). This vast number of taxonomic descriptions unveils the tremendous lack of knowledge especially on soil naked amoebae. The second part aims at deciphering the diversity and community structure of soil protists using four different techniques. First, a modified cultivation technique enabled the quantification of individual morphogroups, allowing determination often up to genus level. It was shown that soil moisture not only impacts the total abundance, but also affects the community composition of soil protists. Second, established cultures of morphologically indistinguishable Acanthamoeba spp. were sequenced, enabling differentiation to strain level. Highly diverse Acanthamoeba communities were detected that differed between geographically remote soils. Third, a high-throughput amplicon sequencing approach targeting the protist phylum Cercozoa illustrated that cercozoan communities strongly differed between geographically distant soils and that community composition depended on the type of land management. Finally, a metatranscriptomic approach unveiled the entire active protist community in different soil and litter samples, uncovering a previously unknown diversity. Each of these methods confirmed that soils harbour an enormous diversity of protists and all methods detected differences in soil protist communities depending on geographic origin or treatment. Therefore it is important to understand the respective advantages and disadvantages associated with each of those methods. Further, available skills, equipment and financial resources need to be considered before applying a method to study soil protists. The third part of this thesis aims to elucidate rarely considered ecological functions performed by soil protists. Generally, soil protists are considered as bacterivores, but diverse protists facultatively consumed fungi. The small amoeba Cryptodifflugia operculata revealed another feeding mode – trapping and consuming nematodes. Metatranscriptomic data revealed high relative abundances of both functional groups in all terrestrial soil samples indicating wider ecological functions carried out by soil protists as has been suggested before.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Bodenprotisten Diversität, Verteilung und ökologische Bedeutung German
Translated abstract:	Abstract Language Bodenprotisten nehmen aufgrund ihrer hohen Abundanzen und Reproduktionsraten sowie ihrer Rolle als Hauptkonsumenten von Bakterien eine Schlüsselposition in Nahrungsnetzen ein. Diese funktionelle Bedeutung weist eine deutliche Diskrepanz zur Berücksichtigung in ökologischen Studien und dem bestehenden Detailwissen über Protisten auf. Methoden der Isolierung und quantitativen Analyse der Protistengemeinschaft in Böden detektieren nur einen Bruchteil der Organismen. Die genaue Artenzusammensetzung und individuelle ökologische Bedeutungen bleiben somit im Verborgenen. Diese Arbeit zielt darauf, die Gemeinschaften von Bodenprotisten und deren Funktion durch eine breite Methodennutzung genauer zu charakterisieren. Im ersten Teil dieser Arbeit liegt der Fokus auf der Kultivierung und Beschreibung bisher unbekannter Amoeben, die aus deutschen, italienischen, tibetanischen und niederländischen Böden isoliert wurden. Dieser Kultivierungsansatz ermöglichte die Beschreibung von 16 neuen Arten sowie sieben neuen Gattungen, die sich in die eukaryotischen Supergruppen Amoebozoa und Excavata, Klassen Discosea, Variosea und Heterolobosea, und 12 Gattungen (Cochliopodium, Stenamoeba, Acanthamoeba, Ischnamoeba n.g., Darbyshirella n.g., Heliamoeba n.g., Arboramoeba n.g., Angulamoeba n.g., Telaepolella, Schizoplasmodiopsis, Allovahlkampfia und Pagea n.g.) aufteilen. Trotz deren hohen Abundanz und Diversität beweist diese hohe Anzahl an Neubeschreibungen die lückenhafte (Arten-) Kenntnis über Bodenamoeben. Im zweiten Teil der Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Diversität und dem Vergleich ganzer Gemeinschaften von Bodenprotisten. Es wurden vier grundsätzlich verschiedene Analysewege genutzt. Eine modifizierte Kultivierungsmethode erlaubte die Bestimmung und Quantifizierung von Morphogruppen, oft bis auf Gattungsebene. In Abhängigkeit von der Bodenfeuchte variierte die Gesamtabundanz sowie die anteilige Zusammensetzung der Protistengemeinschaft. Des Weiteren wurden morphologisch nahezu identische Amoeben der Gattung Acanthamoeba molekular bis auf (Unter-) Artebene bestimmt, die im Vorfeld kultiviert wurden. Acanthamoeben zeigten eine hohe Diversität innerhalb und zwischen geographisch entlegenen Böden. Zur Bestimmung des Protistenphylums Cercozoa diente eine primerbasierte, high-throughput Amplikonsequenzierung. Die Cercozoengemeinschaft, deren hohe Diversität in allen Böden bestätigt wurde, variierte je nach Landnutzung und Geographie. Eine Analyse der aktiven Protistengemeinschaft erfolgte durch einen Metatranskriptomansatz. Neben der detaillierten Bestimmung aller Protistengruppen der Proben, die sich untereinander stark unterschieden, fanden sich in terrestrischer Umgebung bislang unbekannte Protistengruppen. Jede dieser Methoden zeigt einen unterschiedlichen Ausschnitt der Protistendiversität und geht mit Vor- und Nachteilen einher, die vor Nutzung erörtert werden müssen, da alle eine Option zur Bestimmung der Protistengemeinschaft bleiben. Im dritten Teil werden funktionelle Nischen der Bodenprotisten in Nahrungsnetzen gezeigt. Eine Vielzahl von Protisten konsumierten neben Bakterien auch Pilze und sind daher eher als omnivor einzustufen. Bei der kleinen Schalenamoebe Cryptodifflugia operculata ging der Fraß von deutlich größeren Nematoden mit einer erhöhten Reproduktionsrate einher. Metatranskriptomdatensätze zeigen hohe relative Abundanzen für sowohl omnivore als auch nematophage Protisten. Dies legt nahe, dass Protisten über die bakterivore Rolle hinaus ein weites funktionelles Spektrum in Böden einnehmen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Geisen, Stefan geisens@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-57579
Date:	10 September 2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Protisten; Boden; Diversität; Ökologische Funktionen; Protozoen; Phylogenie; Taxonomie; Acanthamoeba UNSPECIFIED
Date of oral exam:	28 May 2014
Referee:	Name Academic Title Bonkowski, Michael Prof. Dr. Arndt, Hartmut Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5757