Universität zu Köln

Dumack, Kenneth (2016). Novel Lineages in Cercozoa and Their Feeding Strategies. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF Dissertation_Kenneth_Dumack.pdf Download (29MB)

Abstract

The term protist describes an informal grouping of unicellular eukaryotic organisms that do not form tissues. With a tremendous diversity in morphology and ecology, they represent the vast majority of eukaryotic heterogeneity of which only a small fraction is yet known. Ubiquitously dispersed in marine, freshwater and terrestrial habitats they occupy various ecological niches as e.g. primary producers, osmotrophs, bacterivores, fungivores, algivores, omnivores, predators or parasites of e.g. animals and plants. However, methodological drawbacks in culturing impeded research of protists. Research focused on the easily culturable taxa, especially bacterivores and algae, leading to a skewed image of protist diversity and many ‘unculturable’ protist taxa are still unknown to science. Therefore we focused on protists with unusual feeding types (in particular bacterivorous sit-and-wait predators and eukaryvorous predators) in the phylum Cercozoa. The Cercozoa CAVALIER-SMITH 1998, were discovered to be closely related based on molecular analyses although being highly divergent in morphology and ecology. Molecular surveys revealed a high genetic diversity in the Cercozoa of which only a small fraction can yet be linked to morphological data. Based on culture material, cell morphology, feeding processes and life history stages of several cercozoan amoebae have been studied by us. This was achieved by using mainly light microscopy and time-lapse photography but also ultra structure data was obtained. Genetic markers, e.g. SSU rDNA and LSU rDNA were subjected to phylogenetic analyses to draw conclusions on cercozoan evolution. Based on six isolates from German and Spanish soils a novel lineage of bacterivorous amoebae was described. Kraken carinae gen. nov. sp. nov. is an amoeba distinguished by a scale bearing cell body (usually <10 µm in diameter) and a network of filopodia (up to 0.5 mm in diameter). K. carinae is one of the few known sit-and-wait predators in the Cercozoa, preying on bacteria that get in contact with its large filopodia network. Unlike other cercozoan amoebae that usually use the filopodia to drag prey to their cell bodies for ingestion, K. carinae ingests bacteria directly at the point of contact and transports them through the filopodia to the cell body for digestion. SSU rDNA phylogeny showed an affinity to the order Cercomonadida in the class Sarcomonadea with only weak support, but a concatenated approach, by combining SSU rDNA and LSU rDNA sequences, confirmed the results with higher (though still moderate) support, in particular with the family Paracercomonadidae. However, Kraken carinae still remains incertae sedis as ultrastructure revealed the presence of scales, a morphological character predominantly known from the class Imbricatea, contradicting the phylogenetic results. By combining literature research with phylogenetic examination focusing on Lecythium (HERTWIG et LESSER, 1874) and its family the Chlamydophryidae (DE SAEDELEER 1934) we were able to clarify the confusing taxonomy of genera like Plagiophrys, Lecythium, Rhizaspis and others. All of these amoebae bear a flexible organic theca, branching and anastomosing filopodia. However, they differ in cell shape and show species (or strain) specific feeding preferences. SSU rDNA phylogenies reflected the phenotypic differences between those genera but also revealed surprising results: The genera Lecythium (Novel Clade 4) and Rhizaspis (Tectofilosida) were polyphyletic and had to be separated, resulting in a secession of Fisculla gen. nov. (Tectofilosida) from Lecythium and Sacciforma gen. nov. (Cryomonadida) from Rhizaspis. As these thecofilosean amoebae, similar to the predominantly known eukaryvores in the Cercozoa, the Vampyrellida, have been shown to be eukaryvorous, we further focused on eukaryvorous protists in terrestrial habitats, by investigating (a) their feeding preferences (b) their physiological requirements to consume eukaryotic prey and (c) their dispersal in terrestrial and freshwater systems. This was achieved by conducting thorough sampling, observing individuals in their unaltered sample (if possible) and performing experiments on feeding preference, chemical sensing, and enzyme production with several omnivorous or eukaryvorous Cercozoa. In laboratory experiments, we could show that the eukaryvorous protist Fisculla terrestris is able to sense and select its preferred prey and produce a battery of enzymes needed to digest cell wall compounds of eukaryotes, such as chitin. F. terrestris preferred fungal prey (in particular Saccharomyces cerevisiae) and only fed to a small extend on algae. To get more insight into the dispersal of eukaryvorous protists in terrestrial systems, we screened metatranscriptomes of different terrestrial habitats for the eukaryvorous Vampyrellida and Grossglockneriidae, showing high dispersal, since they were present in all screened habitats, with up to 3% of total reads. The phenotypic, phylogenetic and ecologic data on the investigated cercozoan amoebae resulted in a comprehensive characterization of the Thecofilosea and the novel lineage Krakenidae. Based on intensive literature research and a critical evaluation of it, first steps for a phylogeny-based taxonomy of these cercozoan lineages were made. Finally, this thesis provides an evaluation of the hidden diversity of eukaryvorous Cercozoa in terrestrial and freshwater habitats.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Der Begriff Protist beschreibt einzellige, eukaryotische Organismen die kein Gewebe ausbilden. Mit einer enormen Mannigfaltigkeit in Morphologie und Ökologie repräsentieren sie die Mehrheit der eukaryotischen Diversität, von der bisher nur ein kleiner Teil bekannt ist. Weltweit verbreitet, in marinen, limnischen und terrestrischen Habitaten, besetzen sie unzählige ökologische Nischen, z. B. als Primärproduzenten, Osmotrophen, Bakterivoren, Fungivoren, Algivoren, Omnivoren, Prädatoren oder Parasiten z. B. von Tieren und Pflanzen. Probleme im Kultivieren von Protisten sorgten allerdings für eine bevorzugte Erforschung von Bakterivoren und Algen, was zu einem verzerrten Abbild der Protistendiversität führte. Viele „nicht kultivierbare“ Protisten Taxa sind der Forschung noch immer unbekannt. Deshalb befassten wir uns mit Protisten mit unüblichen Ernährungsweisen (insbesondere bakterivore Lauerjäger und eukaryvore Räuber) in den Cercozoa. Die Cercozoa CAVALIER-SMITH 1998, wurden aufgrund von molekularen Untersuchungen als phylogenetische Entität entdeckt obwohl sie starke Unterschiede in Morphologie und Ökologie aufweisen. Molekulare Untersuchungen deckten eine hohe Diversität in den Cercozoa auf, von der bisher nur ein geringer Bruchteil mit morphologischen Daten verknüpft werden kann. Auf Basis von angelegten Kulturen wurden Zellmorphologie, Ernährungsweise und Zellzyklen von verschiedenen cercozoen Amöben untersucht. Dafür wurden hauptsächlich Lichtmikroskopie und Zeitraffer-Mikrofotographie und auch durch Ultrastrukturaufnahmen Daten erhoben. Genetische Marker, d. h. SSU rDNA und LSU rDNA, wurden sequenziert und für phylogenetische Untersuchungen genutzt, um Rückschlüsse über die Evolution der Cercozoa zu ziehen. Von einer unbeschriebenen bakterivoren Amöbe wurden sechs Stämme aus deutschen und spanischen Böden isoliert. Kraken carinae gen. nov. sp. nov. ist eine Amöbe, unterteilt in einen schuppentragenden Zellkörper (normalerweise <10 µm im Durchmesser) und ein Netzwerk aus Filopodien (bis zu 0,5 mm im Durchmesser). K. carinae ist einer der seltenen Lauerjäger der Cercozoa, sie bewegt sich nur selten und erbeutet Bakterien, die mit ihrem Netzwerk aus Filopodien in Kontakt kommen. Anders als andere amöboide Vertreter der Cercozoa, die üblicherweise ihre Filopodien nutzen, um ihre Beute zum Zellkörper zu ziehen und dann zu phagozytieren, ingestiert K. carinae Bakterien direkt am Kontaktpunkt der Beute mit den Filopodien und transportiert diese dann intrazellulär zum Zellkörper um sie dort zu verdauen. SSU rDNA Phylogenie zeigte eine nähere Verwandtschaft mit den Cercomonadida auf, wenn auch nur mit mäßiger statistischer Unterstützung. Ein weiterer Anlauf, diesmal mit verketteten SSU rDNA und LSU rDNA Sequenzen, bestätigte die Verwandtschaft zu den Cercomonadida, insbesondere mit den Paracercomonadidae, mit erhöhter (aber dennoch nur moderater) statistischer Unterstützung. Allerdings bleiben die genaue Verwandtschaftsverhältnisse von Kraken carinae immernoch unklar, da die Ultrastrukturdaten konträr zu den phylogenetischen Ergebnissen, auf eine nähere Verwandtschaft mit den Imbricatea hinweisen, da Kraken carinae genau wie sie Schuppen auf dem Zellkörper trägt. Durch die Kombination von intensiver Literaturrecherche mit phylogenetischen Untersuchungen von Lecythium (HERTWIG et LESSER, 1874) und seiner Familie, der Chlamydophryidae (DE SAEDELEER 1934) konnten wir die unklare Taxonomie von Gattungen wie (Plagiophrys, Lecythium, Rhizaspis, …) enträtseln. All diese Amöben haben gemeinsam, dass sie eine hyaline flexible Schale tragen und verästelnde und anastomisierende Filopodien aufweisen, aber haben auch klare Unterschiede zueinander. SSU rDNA Phylogenien haben die phänotypischen Unterschiede zwischen den Gattungen widergespiegelt, bargen aber auch Überraschungen: Die Gattungen Lecythium (Novel Clade 4) und Rhizaspis (Tectofilosida) waren beide polyphyletisch und mussten daher geteilt werden. Daher wurden Fisculla gen. nov. (Tectofilosida) von Lecythium und Sacciforma gen. nov. (Cryomonadida) von Rhizaspis abgetrennt. Weiterhin zeigen diese Schalenamöben, ähnlich wie die meistbekannten Eukaryvoren in den Cercozoa, die Vampyrellida, eukaryvores Verhalten. Deshalb führten wir weitere Studien über die Ökologie von eukaryvoren Protisten in terrestrischen Habitaten durch. Vor allem geben wir Einsicht auf (a) ihre Nahrungspräferenzen, (b) den physiologischen Voraussetzungen, um eukaryotische Beute zu konsumieren und (c) ihrer Verbreitung in terrestrischen und limnischen Systemen. Dazu wurden umfassende Probenahmen, gefolgt von Experimenten durchgeführt, welche Fütterungsversuche und Experimente über die chemische Wahrnehmung und Enzymproduktion mit diversen omnivoren oder eukaryvoren Cercozoa umfassten. Wir konnten zeigen, dass die eukaryvore Amöbe Fisculla terrestris fähig ist, die Anwesenheit ihrer bevorzugten Beute (Saccharomyces cerevisiae) wahrzunehmen und darauf zu selektieren. Außerdem produzieren sie eine Auswahl an Enzymen zum Abbau der Zellwand der Beute, wie z. B. Chitin. Um mehr Einblick auf die Verbreitung von terrestrischen Eukaryvoren zu erhalten, durchsuchten wir Metatranskriptom-Datenbanken von verschiedenen terrestrischen Habitaten nach den eukaryvoren Vampyrellida und Grossglockneriidae, die auf eine weite Verbreitung von Vampyrellida und Grossglockneriidae hinwiesen, da diese nicht nur in allen überprüften Habitaten nachgewiesen werden konnten, sondern auch bis zu 3% der absoluten Sequenzen ausmachten. Die phänotypischen und phylogenetischen Daten der untersuchten Amöben der Cercozoa resultieren in einer umfassenden Charakterisierung der Thecofilosea und der neuen Familie Krakenidae. Auf Grundlage einer intensiven Literaturrecherche und einer kritischen Auswertung dieser im Kontext der selbstständig durchgeführten Arbeiten wurden erste Schritte in Richtung einer phylogeniebasierten Taxonomie gemacht. Diese Doktorarbeit umfasst weiterhin eine Diskussion über die noch unerforschte Diversität der Cercozoa in terrestrischen und limnischen Habitaten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Dumack, Kenneth kenneth.dumack@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-74080
Date:	November 2016
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 Cercozoa, algivorous, testate amoebae, amoebae, protist, protozoa English Cercozoa, algivor, Schalenamöbe, Amöbe, Protist, Protozoe German
Date of oral exam:	24 January 2017
Referee:	Name Academic Title Bonkowski, Michael Prof. Dr Arndt, Hartmut Prof. Dr
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7408