Extended phylogeny and morphology of marine and freshwater choanoflagellates with additional methodological studies on heterotrophic flagellates

Jeuck, Alexandra C. (2014). Extended phylogeny and morphology of marine and freshwater choanoflagellates with additional methodological studies on heterotrophic flagellates. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Heterotrophic flagellates (HF) are small, ubiquitously distributed protists. As main bacterial feeders, they play a significant role in aquatic and terrestrial food webs. To ensure reliable investigations of the diversity and phylogeny of HF and especially choanoflagellates, a short, user-friendly guide to common heterotrophic freshwater flagellates was developed in the present dissertation. It aims at facilitating an easier morphospecies identification using morphological characteristics of the living organisms. Due to the large diversity and specific properties of HF, a reliable quantification of these organisms is very challenging. Different quantification methods such as the live-counting technique, various fixation methods, a cultivation method and molecular tools were thus compared and optimized regarding various environmental studies. On the basis of this comparison different recommendations have been provided. Among the variety of different groups of HF, special attention was paid to the group of choanoflagellates in the present doctoral thesis. This group is particularly interesting regarding evolutionary aspects on the basis of animal origin as they are known to be the closest protistan relatives to the Metazoa within the group of Opisthokonta. Nonetheless, the internal systematics of choanoflagellates - especially of the order Craspedida - is still controversially discussed as no clear monophyletic clustering could be discovered up to now. Different morphological and life cycle forms exist, inter alia, the presence or absence of a theca (organic cell covering) and the ability to form colonies. Here, the sequencing of the 18S and 28S ribosomal DNA and morphological description of twelve choanoflagellate isolates (marine, brackish, and freshwater) from world-wide sampling points could reveal new insights into the taxonomy and systematics of the order Craspedida. Five of the isolates were additionally included in a six-gene phylogenetic analysis (18S rDNA, 28S rDNA, hsp90, tubA, EF-1A and EFL) to obtain an enhanced phylogenetic resolution and evolutionary understanding of choanoflagellates. Besides, it was also possible to characterize a completely new group of undescribed choanoflagellate sequences from suboxic/anoxic environments, closely related to the choanoflagellate order Acanthoecida. This group could be described by one isolate which was assigned to a new genus with a surprising morphological similarity to the order Craspedida. Taken together, this combination of both morphological and molecular data extended the existing choanoflagellate sequence database by about one third and might provide the potential basis for a complete taxonomic revision of choanoflagellates and for insights into their evolution and the evolution of multicellularity. Furthermore, the difficult isolation, cultivation and sequencing processes of choanoflagellates could be partially optimized. Additional ecological studies were carried out regarding salinity tolerances, lorica inducement (covering of acanthoecid choanoflagellates) and feeding modes.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Heterotrophe Flagellaten (HF) sind kleinzellige Protisten mit weltweiter Verbreitung. Als Hauptkonsumenten von Bakterien nehmen sie eine bedeutende Rolle im aquatischen und terrestrischen Nahrungsnetz ein. Um verlässliche Untersuchungen zur Diversität und Phylogenie der HF und besonders der Choanoflagellaten zu ermöglichen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein einfach gehaltener Bestimmungsschlüssel für die gängigen, heterotrophen Flagellaten des Süßwassers entwickelt. Dieser Schlüssel soll die Bestimmung der diversen Morphotypen erleichtern, indem er auf morphologischen Charakteristika von Lebendorganismen basiert. Aufgrund ihrer hohen Diversität und artspezifischer Eigenheiten ist es ferner schwierig, HF exakt zu quantifizieren. Daher wurden verschiedene Methoden zur Quantifizierung – die Lebendzählmethode, Fixierungsmethoden, Kultivierungs-methoden und Molekulare Arbeitsweisen – in Bezug auf Umweltstudien verglichen und jeweils optimiert. Die Vor- und Nachteile jeder dieser Quantifizierungsmethoden wurden gegenüber gestellt und Empfehlungen zur Wahl der Methoden in Hinblick auf die jeweilige zugrunde liegende Fragestellung gegeben. Innerhalb der Vielfalt der Gruppen von HF wurde in der vorliegenden Doktorarbeit auf die Gruppe der Choanoflagellaten ein besonderes Augenmerk gerichtet. Als nächste einzellige Verwandte der Metazoa innerhalb der Gruppe der Opisthokonta ist diese Gruppe in evolutionärer Hinsicht - am Ursprung der Entwicklung zu tierischen Vertretern - äußerst interessant. Ihre systematische Einordnung, besonders diejenige der Ordnung Craspedida, wird noch immer kontrovers diskutiert, da bis heute keine monophyletischen Cluster bestätigt werden konnten. Zudem existieren in der Ordnung der Craspedida verschiedene morphologische Formen wie der Besitz oder das Fehlen einer Theka (Zellhülle aus organischem Material), aber auch verschiedene Ausprägungen des Lebenszyklus wie zum Beispiel die Fähigkeit, Kolonien zu bilden. Zwölf Choanoflagellatenisolate aus weltweit verteilten marinen, Süßwasser- und Brackwasserhabitaten wurden mittels Sequenzierung ihrer ribosomalen 18S und 28S DNA untersucht, sowie ergänzend morphologisch beschrieben. Diese Arbeit konnte neue Erkenntnisse über die taxonomischen und systematischen Zusammenhänge der Vertreter der Ordnung Craspedida liefern. Fünf der isolierten Choanoflagellaten wurden zusätzlich in eine sechs Gene (18S rDNA, 28S rDNA, hsp90, tubA, EF-1A und EFL) umfassende phylogenetische Analyse einbezogen. Diese Analyse konnte zu einer optimierten phylogenetischen Auflösung und zu einem verbesserten Verständnis der Evolution der Choanoflagellaten beitragen. Des Weiteren war es möglich, eine komplett neue Gruppe von bisher unbeschriebenen Choanoflagellatensequenzen aus suboxischen und anoxischen Habitaten zu charakterisieren. Diese neue Gruppe scheint nah mit der Choanoflagellatenordnung der Acanthoecida verwandt zu sein. Die Neubeschreibung dieser Gruppe wurde durch einen isolierten Choanoflagellaten ermöglicht, der eine neue Gattung begründete und erstaunlicherweise eine große morphlogische Ähnlichkeit zur Ordnung der Craspedida aufwies. Zusammen genommen wurde durch die hier vorliegende Kombination von morphologischen und molekularen Daten die bestehende Sequenzdatenbank der Choanoflagellaten um ein Drittel erweitert, was eine mögliche Grundlage für eine umfassende Neuordnung der Choanoflagellaten und für Einblicke in ihre und die Evolution der Vielzelligkeit liefern könnte. Letztlich wurde außerdem erreicht, die schwierigen Prozesse der Choanoflagellatenisolierung, - kultivierung und – sequenzierung einen Schritt weiter zu optimieren. Zusätzlich wurden ökologische Untersuchungen zu Salztoleranz, Lorikabildung (Hülle der acanthoeciden Choanoflagellaten) und Fraßmechanismen durchgeführt.

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