| Translated abstract: |
| Abstract | Language |
|---|
| Die Rolle der mikrobiellen Gemeinschaften in aquatischen Ökosystemen ist essenziell; sie tragen zu biogeochemischen Kreisläufen und der Dynamik der Nahrungsnetze auf verschiedenen Ebenen bei. Eukaryotische Mikroben, die in allen wichtigen Übergruppen des Lebensbaums zu finden sind, sind wichtige Primärproduzenten, Konsumenten und Zersetzer in den meisten aquatischen Systemen. Das Erforschen aquatischer mikrobieller Gemeinschaften zur Bestimmung ihrer Diversität, Funktionen und Reaktionen auf ungünstige Umweltbedingungen ist sehr komplex und anspruchsvoll. Obwohl die zunehmende Hochdurchsatz-Sequenzierung in den letzten Jahren erheblich zur Abschätzung der Diversität in zahlreichen Umgebungen beigetragen hat, fehlt es immer noch an einem Verständnis der Funktionen und Rollen dieser Gemeinschaften in ihren Ökosystemen. Kleine und abgelegene aquatische Systeme haben weniger Aufmerksamkeit erhalten.
Um den Beitrag der Mikroeukaryoten zur Funktion von Ökosystemen zu verstehen, sind Ansätze erforderlich, die taxonimische mit funktionellen Informationen kombinieren. In dieser Dissertation habe ich Metatranskriptomik als Hauptansatz verwendet, um die Funktionen von aquatischen mikroeukaryotischen Gemeinschaften über die Gen-Expression zu untersuchen. Zwei verschiedene Systeme wurden untersucht: ein kleiner und gemäßigter Süßwasserteich und ein flacher Bach mit ansteigender Salinität aus einem extremen Ökosystem im Hochgebirge. Ich habe mich auf zwei Hauptfaktoren untersucht, die diese Gemeinschaften beeinflussen, konzentriert: Sonnenstrahlung und Salinität.
Licht, insbesondere im Spektrum der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR), ist ein wichtiger Faktor für das Wachstum von planktonischen Organismen und moduliert wichtige Stoffwechselprozesse über die Tageszyklen. Diese tageszeitlichen Reaktionen wurden bisher nur an einzelnen Organismen und in marinen oder großen Seegemeinschaften untersucht. Die Untersuchung der Aktivität der mikroeukaryotischen Gemeinschaft eines kleinen Süßwassersystems als Reaktion auf den Tageszyklus ergab, dass die Teichgemeinschaft, die hauptsächlich von Heterotrophen zusammen mit Euglenophyta und Chlorophyta dominiert wird, einer ähnlichen Tagesdynamik folgt, wie sie für größere aquatische Ökosysteme beschrieben wurde. Die Gen-Ontologie-Klassen, einschließlich Photorezeption für Photosynthese, Verteidigung und Stressmechanismen, dominierten während des Tages, während Motilität, ribosomaler Aufbau und andere große, energieverbrauchende Prozesse auf die Nacht beschränkt waren.
Hohe Sonneneinstrahlung, große Salinitätsbereiche, hohe Verdunstungsraten und Temperaturschwankungen sind charakteristisch für aquatische Systeme der Hochplateaus in den zentralen Anden. Diese Ökosysteme unterliegen extremen saisonalen und tageszeitlichen Schwankungen, an die die bewohnenden Lebensgemeinschaften vermutlich gut angepasst sind. Tatsächlich sind die evolvierten Mechanismen der aquatischen Mikroorganismen bisher nicht gut verstanden. Der Salar de Huasco ist ein hochgelegenes Feuchtgebiet im Norden Chiles, in dem die Vielfalt und der Beitrag der eukaryotischen mikrobiellen Komponente noch nicht umfassend untersucht wurden. Ich untersuchte, wie diese Mikroeukaryoten durch verschiedene Umweltstressoren beeinflusst werden, indem ich Genexpressionsmuster entlang eines Flusses mit steigendem Salzgehalt in der feuchten (Sommer) und der trockenen (Winter) Jahreszeit unter verschiedenen Sonnenstrahlungswerten verglich. Die aktiven Gemeinschaften wurden von heterotrophen Taxa (Ascomycota und Evosea) dominiert, während phototrophe Taxa (hauptsächlich Chlorophyta und Bacillariophyta) weniger abundant, aber variabler zwischen Standorten und Jahreszeiten waren. Die Faktoren, die hauptsächlich zur Strukturierung der Gemeinschaft beigetragen haben, waren pH-Wert, Leitfähigkeit und Salinität im Winter, und Temperatur und PAR im Sommer. Die biologischen Prozesse, die während der Gen-Ontologie Analyse am häufigsten vertreten waren, gehörten zum mitotischen Zellzyklus, Photosynthese und Stressreaktion.
Um weiter zu verstehen, welche Gruppen von Mikroeukaryoten welche Arten von Ökosystemfunktionen an verschiedenen Probenahmestellen entlang des Salinitätsgradienten beeinflussen, wurden die biologischen Prozesse mit taxonomischen Gruppen korreliert. Insbesondere konzentrierte ich mich auf unterschiedlich exprimierte Gene aus den Kategorien: Photosynthese und Kohlenstofffixierung, Zellatmung, Ionentransport, Nährstoffaufnahme (einschließlich Schwefelkreislauf) und Stressreaktion. Im Sommer dominierten die Glaucophyta die Photosynthese und damit die Kohlenstoff-Fixierung, während die Chlorophyta, Haptophyta, Ochrophyta und Mucoromycota die Hauptakteure für die Assimilation von gelöstem Stickstoff und Phosphor in den weniger salzhaltigen Standorten waren. Im Winter korrelierte eine höhere Expression von Ionentransport- und Stressreaktionsgenen an der salzhaltigsten Probenahmestellen mit Heterotrophen Gruppen, die an der gleichen Stelle dominierten die Zellatmung und die Schwefelassimilation. Die präsentierten Daten zeigen, dass die räumlichen Unterschiede (Probenahmestellen entlang des Salinitätsgradienten) im Winter signifikanter waren als im Sommer. Außerdem waren die zeitlichen Unterschiede (Sommer und Winter) an der Probenahmestelle mit der höchsten Salinität am stärksten ausgeprägt.
Insgesamt ist die Metatranskriptomik ein vielversprechendes Werkzeug zur Untersuchung eukaryontischer mikrobieller Gemeinschaften, insbesondere in selten untersuchten und ökologisch extrem variablen Ökosystemen. Durch die Verbindung von biologischen Prozessen und Biodiversität können neue Einblicke in Ökosystem-Funktionen gewonnen werden, die grundlegend sind, um Naturschutz-Strategien zu entwickeln. | German | | El papel de las comunidades microbianas en los ecosistemas acuáticos es fundamental; contribuyen a los ciclos biogeoquímicos y a la dinámica de las redes tróficas en varios niveles. Los microbios eucariotas, que se encuentran en todos los principales supergrupos del árbol de la vida eucarionte, son importantes productores primarios, consumidores y descomponedores en la mayoría de los sistemas acuáticos. Estudiar las comunidades microbianas acuáticas para determinar su diversidad, funciones y respuesta a condiciones ambientales adversas es muy complejo y desafiante. Aunque los crecientes esfuerzos de secuenciación masiva en los últimos años han contribuido significativamente a las estimaciones de diversidad en numerosos ambientes, todavía existe una falta de comprensión de las funciones y roles de estas comunidades en sus ecosistemas, siendo los sistemas acuáticos pequeños y remotos los que han recibido menor atención.
Para comprender cómo los microeucariotas contribuyen al funcionamiento del ecosistema, se necesitan enfoques que combinen información taxonómica y funcional. En esta tesis, utilicé la metatranscriptómica como enfoque principal para investigar las funciones de las comunidades microeucariotas acuáticas a través de la expresión génica. Dos sistemas diferentes fueron estudiados: un pequeño estanque de agua dulce templada y un arroyo poco profundo con salinidad creciente en un ecosistema extremo de gran altitud. Específicamente, me enfoqué en dos factores principales que afectan a estas comunidades: radiación solar y salinidad.
La luz, específicamente en el espectro de radiación fotosintéticamente activa (PAR), es un factor importante para el crecimiento de organismos planctónicos y modula los principales procesos metabólicos a través de los ciclos diurnos. Estas respuestas diarias se han estudiado solo en organismos individuales y en comunidades marinas o de grandes lagos. La investigación de la actividad de la comunidad microeucariota en respuesta al ciclo diurno en el pequeño sistema de agua dulce estudiado, reveló que la comunidad del estanque, en su mayoría dominada por heterótrofos junto con Euglenophyta y Chlorophyta, sigue una dinámica diurna similar a la descrita para grandes sistemas acuáticos. Las categorías de ontología de genes, incluida la fotorrecepción para la fotosíntesis, la defensa y los mecanismos de estrés, predominaron durante el día. Mientras que la motilidad, el ensamblaje ribosomal y otros procesos que consumen gran cantidad de energía se restringieron a la noche.
La alta radiación solar, los amplios rangos de salinidad, de temperatura, y las altas tasas de evaporación son características de los sistemas acuáticos de las altas mesetas en los Andes centrales. Estos ecosistemas están sujetos a extremas fluctuaciones diurnas y estacionales, a las que se estima que las comunidades que lo habitan están adaptadas. Sin embargo, los mecanismos desarrollados por los microorganismos acuáticos para hacer frente a tales condiciones no son bien comprendidos. El Salar de Huasco es un humedal de gran altitud en el norte de Chile, donde la diversidad y la contribución del componente microbiano eucariota al sistema no se han abordado ampliamente. En el presente trabajo estudié cómo estos microeucariotas se ven afectados por múltiples factores de estrés ambiental comparando los patrones de expresión genética a lo largo de un arroyo de agua dulce con un creciente gradiente de salinidad en las estaciones húmeda (verano) y seca (invierno). Las comunidades activas estuvieron dominadas por taxones heterotróficos (Ascomycota y Evosea), mientras que los taxones fototróficos (principalmente Chlorophyta y Bacillariophyta) fueron menos abundantes, pero más variables entre sitios y estaciones. Los principales factores ambientales estructurando las comunidades fueron el pH, la conductividad y la salinidad durante el invierno y la temperatura y la PAR durante el verano. Y los procesos biológicos más enriquecidos, de acuerdo a los análisis de ontología genética, estaban relacionados con el ciclo celular mitótico, la fotosíntesis y las respuestas al estrés.
Para comprender mejor qué grupos de microeucariotas afectan qué tipos de funciones del ecosistema en diferentes sitios a lo largo del gradiente de salinidad, se correlacionaron los procesos con los grupos taxonómicos. Específicamente, me enfoqué en genes expresados diferencialmente que pertenecen a las categorías: fotosíntesis y fijación de carbono, respiración celular, transporte de iones, absorción de nutrientes (incluido el ciclo del azufre) y respuesta al estrés. Durante el verano, Glaucophyta domina la fotosíntesis y, por lo tanto, la fijación de carbono inorgánico, mientras que Chlorophyta, Haptophyta, Ochrophyta y Mucoromycota fueron los principales actores en la asimilación de nitrógeno y fósforo disuelto en los sitios menos salinos. Durante el invierno, una mayor expresión de genes de transporte de iones y respuesta al estrés en los sitios más salinos se correlacionó con grupos heterotróficos, los que en el mismo sitio dominaron la respiración celular y la asimilación de azufre. Los datos presentados demuestran que las diferencias espaciales (sitios a lo largo del gradiente de salinidad) fueron más significativas en invierno que en verano. Y las diferencias temporales (estación húmeda y seca) por sitio fueron más pronunciadas en el sitio más salino.
En general, la metatranscriptómica es una herramienta prometedora para estudiar las comunidades microbianas eucariotas, particularmente en ecosistemas menos estudiados y con condiciones ambientales extremas. Al vincular los procesos biológicos con la biodiversidad, se puede obtener mayor conocimiento sobre las funciones de los ecosistemas, lo que es esencial para el desarrollo de estrategias de conservación. | Spanish |
|
