Universität zu Köln

Sachs, Maria Sophie ORCID: 0000-0002-7710-5295 (2023). Ecology and diversity of protists in sediments and amphibian associated habitats. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Protists, unicellular eukaryotes, are one of the most diverse (if not the most diverse) group of organisms on the planet and are widely distributed over the eukaryotic tree of live. They exhibit a ubiquitous distribution upon many terrestrial and aquatic ecosystems. Additionally, their ecological roles span across many different trophic modes, from phototrophic primary producers like phytoplankton, to parasites, symbionts and predators, significantly involved into ecological nutrient cycling. In recent years, molecular techniques have unveiled an impressive array of previously unknown protists, changing our perception of their ecological roles and diversity in global ecosystems. The primary aim of the present study was to explore the diversity with regard to taxonomic and functional composition. By combining amplicon sequencing with modern taxonomic methods such as cultivation-based approaches and microscopy, our objective was to expand knowledge of protist diversity in brackish and freshwater habitats. This included exploring the protist communities in their entirety as well as investigating two specific communities closely associated with amphibian species. We selected two regions in the southern Baltic Sea differing in several abiotic factors (Fehmarnbelt and Oderbank), as a model for studying benthic protist communities in brackish-water environments. The study offered novel insights into brackish-water communities, that have not been investigated in this magnitude and might hint at potential correlations between specific protist groups and environmental parameters. This study also has an applied aspect as it was intended to serve as a baseline study to monitor the effect of ground fishing in future. Using a very strictly filtered amplicon sequencing dataset, we found no overlap in taxonomic composition between the two selected regions. While ciliates exhibited remarkable diversity in both regions, marine alveolates belonging to the MALV group displayed the highest read abundances. Previous studies have shown that this group of organisms, with an assumed parasitic life style, is highly abundant in marine environmental datasets, but have not yet been recorded from brackishwater habitats. However, as they are mostly uncultured, not much is known about their ecology. In freshwater environments but also in amphibian hosts, protist parasites and commensals are known to be common. As an example, we wanted to get more insight into the trophic mode of parasitism by investigating the presence of Batrachochytrium dendrobatidis (Bd) and other amphibian parasites in the green toad (Bufotes viridis) and syntopic amphibians. Therefore, we combined DNA metabarcoding with a qPCR survey. The results revealed the presence of Bd in green toad populations, highlighting the potential threat of this deadly pathogen to amphibian populations in the investigated region. Additionally, the study identified other parasitic organisms, mainly protists, inhabiting the gut of the amphibians. As an antagonist to the detrimental effects of the presence of protists in connection with amphibians, we were interested in the occurrence of the unicellular alga Oophila in German breeding waters of Rana dalmatina. The alga is known for its close association with various amphibians, forming a kind of mutualistic relationship. Our study offers valuable insights into the diversity of micro-eukaryotes, with a particular focus on green algae, inhabiting amphibian clutches. Through DNA metabarcoding, we uncovered a wide array of protist taxa colonizing these amphibian egg masses, highlighting the ecological complexity of this specific habitat. Importantly, the study revealed substrate-specific preferences among these protists - clutches are inhabited by a unique protist community. Additionally, we aimed to disentangle parts of the uncertain taxonomy of Oophila, showing that a certain clade is exceptionally frequent in amphibian clutches, also in our investigated specimens. These results emphasize how taxonomic studies play a crucial role in enhancing the accuracy and reliability of public databases used in environmental sequencing studies. Modern taxonomy provides essential reference points for researchers to correctly classify and interpret the vast diversity of genetic sequences encountered in various ecosystems. To highlight this aspect further more, we investigated two taxonomic groups in more detail, to revise and/or expand their taxonomy. The genus Goniomonas (sensu lato) is not only the single taxon of cryptophytes without a plastid, it also shows a deep genetic divergence between the freshwater and marine strains. Even though it is a very frequently observed heterotrophic flagellate, only few species have been described yet, mainly on the basis of morphologic observations. The objective of our study was to revise the genus Goniomonas and offer a suitable Neotype. In the course of the study it became evident that the genus had be be split into several new genera. We based the introduction of Limnogoniomonas gen. nov., Goniomonas and Aquagoniomonas gen. nov., Neptunogoniomonas gen. nov., Marigoniomonas gen. nov, Thalassogoniomonas gen. nov., Poseidogoniomonas gen. nov. and Cosmogoniomonas gen. nov. on both morphological and phylogenetic investigations. The taxonomy of the bicosoecid Cafeteria has been recently revised. With our study we aimed to resolve the species diversity of the genus furthermore, additionally by adding autecological experiments into an integrative taxonomic approach. In this way, we were able to describe several new species of Cafeteria including one from the Baltic Sea. As those sequences are or will deposted in public databases, this thesis shows the close connection between modern taxonomy and environmental sequencing.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Ökologie und Diversität von Protisten in Sedimenten und amphibienassoziierten Lebensräumen UNSPECIFIED
Translated abstract:	Abstract Language Protisten, einzellige Eukaryoten, sind eine der vielfältigsten (wenn nicht die vielfältigste) Gruppe von Organismen auf diesem Planeten und sind weit über den eukaryotischen Stammbaum des Lebens verteilt. Sie weisen eine ubiquitäre Verbreitung in vielen terrestrischen und aquatischen Ökosystemen auf. Darüber hinaus umfassen ihre ökologischen Rollen viele verschiedene trophische Modi, von phototrophen Primärproduzenten wie Phytoplankton bis hin zu Parasiten, Symbionten und Prädatoren, die wesentlich in den ökologischen Nährstoffkreislauf eingebunden sind. In den letzten Jahren haben molekulare Techniken eine beeindruckende Anzahl zuvor unbekannter Protistenarten aufgedeckt, was unsere Wahrnehmung ihrer ökologischen Rollen und Vielfalt in globalen Ökosystemen verändert hat. Das Hauptziel der vorliegenden Studie war es, die Diversität hinsichtlich der taxonomischen und funktionellen Zusammensetzung zu erforschen. Durch die Kombination von Amplicon-Sequenzierung mit modernen taxonomischen Methoden wie kulturbasierten Ansätzen und Mikroskopie war unser Ziel, das Wissen über die Protistendiversität in Brack- und Süßwasserlebensräumen zu erweitern. Dies umfasste die Untersuchung der Protistengemeinschaften in ihrer Gesamtheit sowie die Erforschung zweier spezifischer Gemeinschaften, die eng mit Amphibienarten assoziiert sind. Wir wählten zwei Regionen in der südlichen Ostsee, die sich in mehreren abiotischen Faktoren unterscheiden (Fehmarnbelt und Oderbank), als Modell zur Untersuchung benthischer Protistengemeinschaften in Brackwassersystemen. Die Studie bot neuartige Einblicke in Brackwassergemeinschaften, die in diesem Ausmaß noch nicht untersucht wurden, und könnte auf potenzielle Korrelationen zwischen spezifischen Protistengruppen und Umweltparametern hinweisen. Diese Studie hat auch einen angewandten Aspekt, da sie als Grundlagen-Studie zur Überwachung der Auswirkungen der grundberührenden Fischerei auf benthische Biozoenosen dienen soll. Mithilfe eines sehr streng gefilterten Amplicon-Sequenzierungsdatensatzes fanden wir keine Überlappung in der taxonomischen Zusammensetzung zwischen den beiden ausgewählten Regionen. Während Ciliaten in beiden Regionen eine bemerkenswerte Diversität zeigten, wiesen marine Alveolaten der MALV-Gruppe die höchste Anzahl an Reads im Datensatz auf. Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass diese Gruppe von Organismen, von denen angenommen wird, dass sie einen parasitischen Lebensstil haben, in marinen Umweltdatensätzen hochabundant ist, bisher ist dieses aber noch nicht in Brackwasserlebensräumen dokumentiert wurde. Da sie größtenteils nicht kultiviert sind, ist zur Zeit noch wenig über ihre Ökologie bekannt. In Süßwasserumgebungen, aber auch in Amphibienwirten, sind Protistenparasiten und -Kommensale häufig. Als Beispiel wollten wir mehr Einblick in den trophischen Modus des Parasitismus gewinnen, indem wir das Vorhandensein von Batrachochytrium dendrobatidis (Bd) und anderen Amphibienparasiten in der Wechselkröte (Bufotes viridis) und syntopischen Amphibien untersucht haben. Daher kombinierten wir DNA-Metabarcoding mit einer qPCR Analyse. Die Ergebnisse zeigten das Vorhandensein von Bd in Wechselkrötenpopulationen und hoben die potenzielle Bedrohung dieses tödlichen Erregers für Amphibienpopulationen in der untersuchten Region hervor. Zusätzlich identifizierte die Studie andere parasitäre Organismen, hauptsächlich Protisten, die den Darm der Amphibien bewohnen. Als Antagonist zu den schädlichen Auswirkungen von Protisten in Verbindung mit Amphibien waren wir an der Vorkommen der einzelligen Alge Oophila in deutschen Laichgewässern des Springfroschs (Rana dalmatina) interessiert. Die Alge ist für ihre enge Assoziation mit verschiedenen Amphibien bekannt und bildet eine Art mutualistische Beziehung mit diesen. Unsere Studie bietet wertvolle Einblicke in die Diversität der Mikro-Eukaryoten, mit einem besonderen Fokus auf Grünalgen, die Amphibienlaich bewohnen. Durch DNA-Metabarcoding deckten wir eine breite Palette von Protistentaxa auf, die Amphibienlaich besiedeln, und hoben die ökologische Komplexität dieses spezifischen Lebensraums hervor. Die Studie offenbarte substratspezifische Präferenzen bei diesen Protisten - Laichballen werden von einer einzigartigen Protistengemeinschaft bewohnt. Darüber hinaus zielten wir darauf ab, Teile der unsicheren Taxonomie von Oophila zu entwirren, und zeigten, dass eine bestimmte Klade außergewöhnlich häufig in Amphibienlaich vorkommt. Diese Ergebnisse betonen, wie taxonomische Studien eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit öffentlicher Datenbanken spielen, die in Umweltsequenzierungsstudien verwendet werden. Moderne Taxonomie bietet wesentliche Referenzpunkte für Forscher, um die enorme Vielfalt an genetischen Sequenzen, die in verschiedenen Ökosystemen gefunden werden, korrekt zu klassifizieren und zu interpretieren. Um diesen Aspekt weiter zu betonen, untersuchten wir zwei taxonomische Gruppen im Detail, um ihre Taxonomie zu überarbeiten und/oder zu erweitern. Die Gattung Goniomonas (sensu lato) ist nicht nur das einzige Taxon der Cryptophyten ohne Plastid, sie zeigt auch eine tiefe genetische Divergenz zwischen den Süßwasser- und Meeresstämmen. Obwohl es sich um eine sehr häufig beobachtete heterotrophe Flagellatengruppe handelt, wurden bisher nur wenige Arten beschrieben, hauptsächlich auf der Grundlage morphologischer Beobachtungen. Ziel unserer Studie war es, die Gattung Goniomonas zu überarbeiten und einen geeigneten Neotypus vorzuschlagen. Im Verlauf der Studie wurde deutlich, dass die Gattung in mehrere neue Gattungen aufgesplittet werden musste. Wir basierten die Einführung von Limnogoniomonas gen. nov., Goniomonas und Aquagoniomonas gen. nov., Neptunogoniomonas gen. nov., Marigoniomonas gen. nov., Thalassogoniomonas gen. nov., Poseidogoniomonas gen. nov. und Cosmogoniomonas gen. nov. sowohl auf morphologischen als auch phylogenetischen Untersuchungen. Die Taxonomie der Bicosoeciden Gattung Cafeteria wurde kürzlich revidiert. Mit unserer Studie zielten wir darauf ab, die Artenvielfalt der Gattung weiter aufzuschlüsseln - zusätzlich durch die Hinzufügen autökologischer Experimente in einem integrativen taxonomischen Ansatz. Auf diese Weise konnten wir mehrere neue Arten von Cafeteria beschreiben, einschließlich einer aus der Ostsee. Da diese Sequenzen in öffentlichen Datenbanken hinterlegt sind oder hinterlegt werden, zeigt diese Arbeit die enge Verbindung zwischen moderner Taxonomie und Umweltsequenzierung. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Sachs, Maria Sophie msachs1983@gmail.com orcid.org/0000-0002-7710-5295 UNSPECIFIED
Contributors:	Contribution Name Email Thesis advisor Arndt, Hartmut hartmut.arndt@uni-koeln.de
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-732721
Date:	2023
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 Protistology English Ecology English
Date of oral exam:	15 December 2023
Referee:	Name Academic Title Arndt, Hartmut Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/73272