Universität zu Köln

Schiwitza, Sabine ORCID: 0000-0002-9185-5236 (2021). A study on the diversity and ecology of choanoflagellates by integrative taxonomy. PhD thesis, Universität zu Köln.

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• A study on the diversity and ecology of choanoflagellates by integrative taxonomy. (deposited 10 Aug 2021 11:55) [Currently Displayed]

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Abstract

As a major component and link between trophic levels, protists fulfil a variety of different ecological functions in microbial food webs and are essential components in all ecosystems. In particular, one group of heterotrophic protists, the choanoflagellates play an important role in aquatic habitats, as they are efficient filter feeders, able to handle several food particles at the same time. As choanoflagellates resemble morphologically the choanocytes of sponges, they got already early attention regarding the evolution of multicellularity. The close relation could be proven by phylogenetic analyses, in which choanoflagellates cluster within the Opisthokonta as a sister group to the metazoans, making them the closest unicellular relatives to the animals. Classical taxonomical studies on this group revealed a high morphological diversity and later on phylogenetic analyses were able to depict the relationship among a variety of species resulting into two major orders, the Craspedida possessing only an organic covering like a theca or a glycocalyx and the Acanthoecida with an inorganic siliceous basket-like covering (lorica). But still, we face a high discrepancy between the number of morphologically described and sequenced species. In addition, investigations on ecological properties proofed to be essential to further extend our knowledge on choanoflagellates concerning evolutionary questions. Moreover, the significance of a comprehensive integrative taxonomy with accurate species descriptions is nowadays undeniable, as modern molecular surveys using high-throughput sequencing methods produce massive amounts of molecular information, which can only be analysed and interpreted with the scaffold of a verified reference database founded on taxonomical data. Within this study, several diverse habitats from freshwater to hypersaline environments were investigated to extend our current knowledge on the diversity and ecology of choanoflagellates. From freshwater and marine habitats, exemplified by studies from the River Rhine at Cologne and a transect of the Atlantic Ocean respectively, new craspedid choanoflagellate species were described based on detailed morphological (light and scanning electron microscopy) and molecular (SSU and LSU rDNA sequencing as well as transcriptomic) data. In addition, by an empirical survey, insights into salinity tolerances of several craspedid choanoflagellates were gained for a better understanding of their ecological dispersal potential, in particular the potential to cross the marine-freshwater boundary. Furthermore, an unexplored and hostile environment, the Atacama Desert in Northern Chile was investigated. This region is characterized by hypersaline water bodies, heavy metal contamination and extreme UV radiation. Studying these extreme environments resulted in the description of seven new craspedid choanoflagellates and ecological experiments revealed that these species were able to tolerate a broad range of varying salinities. Molecular data of the SSU and LSU rDNA pointed towards high genetic distances to their closest marine relatives and phylogenetic analyses underlined their isolation-driven speciation derived from biogeographical restrictions. Further multigene analyses based on protein level revealed high mutation rates of aquatic organisms from this area. The biological divergence estimates correlated with geological events, e.g. the formation of the salt flats, and help to understand colonization and radiation processes. The establishment of choanoflagellate cultures and their transcriptomes from this area will be the basis to get further insights into the adaptation strategies also from a molecular perspective. By studying one of the salt flats, a new lorica-bearing species, Enibas tolerabilis gen. et sp. nov. could be isolated and described. This species is euryoecious regarding salinity, able to survive freshwater and hypersaline conditions, a characteristic never observed before for acanthoecids. The newly established genus Enibas clustered within a separated sister clade to all previously identified nudiform reproducing species in the family of Acanthoecidae, which comprised so far only four genera. Using video microscopy, its nudiform lorica reproduction could be proven by life observation of the cell division. In a targeted resampling approach, a phylogenetic closely related amplicon from molecular surveys was identified and a morphological description to this prior deposited sequence provided. By including other environmental eukaryotic sequences, it became obvious that the species richness within this family was underestimated. To summarize, several choanoflagellate species belonging to the order of Craspedida and Acanthoecida from diverse aquatic habitats were isolated and described. In particular, the amount of comprehensive transcriptomes of choanoflagellates, which will be the basis for further studies on gene functionality, was doubled. The use and combination of different methodologies gave detailed species descriptions for a comprehensive integrative taxonomy which can elucidate the ecological and evolutionary role of choanoflagellates. The present thesis emphasizes the urgent need of taxonomy to generate reliable reference data for further molecular meta-analyses investigating the biodiversity of protists.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Untersuchungen an einzelligen Mikroorganismen (Protisten) haben einen hohen Stellenwert hinsichtlich ökologischer und evolutionärer Fragestellungen. Als essentielle Komponente des mikrobiellen Nahrungsgewebes sind Protisten in allen Ökosystemen präsent. Insbesondere eine Gruppe von heterotrophen Protisten, die Choanoflagellaten, sind in aquatischen Bereichen sehr häufig vorzufinden. Dies ist hauptsächlich auf ihre Art der Nahrungsaufnahme zurückzuführen; als effiziente Filtrierer sind sie in der Lage, mehrere Nahrungspartikel zur selben Zeit zu verarbeiten. Aus evolutionsbiologischer Perspektive sind diese Organismen besonders interessant, da sie den Choanozyten der Schwämme nicht nur morphologisch ähneln, sondern auch phylogenetisch gesehen innerhalb der Opisthokonta an der Basis aller Metazoen stehen. Anhand klassischer taxonomischer Studien wurde eine hohe morphologische Vielfalt innerhalb der Choanoflagellaten beschrieben. Molekularbiologische Studien bestätigten die auf morphologischen Daten basierende Einteilung der Organismen in zwei Ordnungen: gehäuse- (Acanthoecida) bzw. nicht gehäusetragend (Craspedida). Es besteht jedoch immer noch eine große Diskrepanz zwischen der Anzahl der morphologisch beschriebenen und sequenzierten Arten. Die bisher wenig erforschten ökologischen Eigenschaften einzelner Arten spielen zudem eine wichtige Rolle, um Einblicke in deren Anpassungsvermögen und Verbreitungspotential zu erhalten. Die Kombination aus morphologischen, molekularbiologischen und ökologischen Daten, auch als integrative Taxonomie bezeichnet, ist insbesondere zur heutigen Zeit unumgänglich, da moderne Untersuchungen mit Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethoden enorme molekulare Datensätze produzieren. Diese können allerdings nur auf der Basis einer verifizierten, auf taxonomischen Daten basierenden, Referenzdatenbank analysiert und interpretiert werden. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden diverse aquatische Lebensräume untersucht, um neue Einblicke in die Vielfalt und Ökologie der Choanoflagellaten zu erhalten. Durch Untersuchungen im limnischen und marinen Bereich konnten neue Arten der Craspedida mithilfe morphologischer (Licht- und Rasterelektronenmikroskopie) und molekularbiologischer Analyse (Sanger Sequenzierung und Transkriptom) beschrieben werden. Darüber hinaus erbrachten empirische Studien an einer Vielzahl von Arten der Craspedida neue Einblicke über das ökologische Verbreitungspotential von limnischen bzw. marinen Arten. Weiterhin wurde ein Extremhabitat, die Atacamawüste in Nordchile, welche durch hypersaline Gewässer, Schwermetallablagerung und extreme UV-Strahlung gekennzeichnet ist, untersucht. Mittels Studien verschiedenster hypersalinen Gewässern konnten sieben neue Arten der Craspedida mit hohem Potential zur Salztoleranz beschrieben werden. Die biologischen Divergenzschätzungen ergaben hohe Mutationsraten und korrelierten mit geologischen Ereignissen, z. B. der Bildung saliner Gewässern und tragen so zum Verständnis von Kolonisations- und Radiationsprozessen bei. Durch die Etablierung von Zellkulturen und der Auswertung von Transkriptomdaten, wird es in Zukunft möglich sein, weitere Einblicke in die Anpassungsstrategien vor allem aus molekularer Perspektive zu erhalten. Im Rahmen der Untersuchung eines weiteren salinen Gewässers in der Wüstenregion konnte zudem eine neue gehäusetragende Gattung und Art, Enibas tolerabilis gen. et sp. nov., isoliert und beschrieben werden. Diese Art ist in Bezug auf den Salzgehalt euryök und in der Lage, in limnischen bis hypersalinen Bedingungen zu überleben; eine Eigenschaft, die bei den Acanthoeciden noch nie zuvor beobachtet wurde. Die neu etablierte Gattung Enibas gruppierte sich innerhalb einer klar definierten Schwesterklade zu allen zuvor identifizierten nudiform reproduzierenden Arten in der Familie der Acanthoecidae, welche bisher nur vier Gattungen umfasste. Mithilfe der Videomikroskopie konnte nun erstmals die nudiforme Reproduktion in Echtzeit durch Beobachtung der Zellteilung nachgewiesen werden. In einer gezielten Probenahme konnte eine phylogenetisch eng verwandte Art, die bisher nur anhand einer Sequenz aus einer früheren Studie bekannt war, morphologisch identifiziert werden. Durch die Einbeziehung anderer eukaryotischer Umweltsequenzen zeichnete sich ab, dass der Artenreichtum innerhalb dieser Familie bei Weitem unterschätzt wurde. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Studie eine Vielzahl von Choanoflagellatenarten aus verschiedenen aquatischen Lebensräumen isoliert und beschrieben werden. Insbesondere wurde die Anzahl an umfassenden Transkriptomen von Choanoflagellaten, welche die Grundlage für weitere Studien zur Genfunktionalität bilden werden, verdoppelt. Durch die Kombination verschiedener Methoden wurden detaillierte Artbeschreibungen für eine umfassende integrative Taxonomie, welche für die Erforschung der ökologischen und evolutionären Rolle von Choanoflagellaten unumgänglich ist, erstellt. Dies unterstreicht die dringende Notwendigkeit von taxonomischer Arbeit, um verlässliche Referenzdaten für weitere molekulare Metastudien zur Untersuchung der Biodiversität von Protisten zu generieren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schiwitza, Sabine sabine.schiwitza@uni-koeln.de orcid.org/0000-0002-9185-5236 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-525319
Date:	2021
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 choanoflagellates UNSPECIFIED protistology UNSPECIFIED taxonomy UNSPECIFIED
Date of oral exam:	1 June 2021
Referee:	Name Academic Title Arndt, Hartmut Prof. Dr. Lampert, Kathrin PD Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/52531