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| Die Biogeographie ist die Studie der Verteilung von Biodiversität und der Prozesse die zu räumlichen Verteilungsmustern von Arten führen. Neue Erkenntnisse über Biogeographie sind fundamental, um Ökosysteme und deren Funktionen, sowie evolutionäre Prozesse zu verstehen. Allerdings ist noch nicht bekannt, ob biogeographische Konzepte, die für Makroorganismen entwickelt wurden, auch auf mikrobielle Gemeinschaften angewandt werden können. Protisten (einzellige Eukaryoten) sind die häufigsten und diversesten Eukaryoten auf der Erde and spielen eine Schlüsselrolle im mikrobiellen Nahrungsgewebe, indem sie Kohlenstoff zu höheren trophischen Ebenen transferieren. Dennoch sind ihre Diversität und Verteilung in marinen Sedimenten, besonders in der Tiefsee, noch nicht vollkommen verstanden. Das übergreifende Ziel dieser Dissertation war es, das Wissen über biogeographische Verteilungsmuster von Protistengemeinschaften am Ozeanboden zu erweitern, um die Ökologie und die evolutionären Prozesse in der Tiefsee besser zu verstehen.
Um benthische Protistengemeinschaften entlang von Tiefenprofilen vor mehreren Inseln des Azoren Archipels zu untersuchen, wurde eine Kombination aus verschiedenen Methoden verwendet, die die molekulare Technik der Amplicon Sequenzierung mit Lebendzählungen, direkten mikroskopischen Beobachtungen, sowie einem Kultivierungs-basierten Ansatz kombinierte. Dabei wurden starke Unterschiede zwischen den Gemeinschaften aus verschiedenen Tiefen und von verschiedenen Inseln festgestellt, was auf eine Separation zwischen den Gemeinschaften auf verschiedenen Inselsockeln oder Unterwasserbergen und den Gemeinschaften der umliegenden Tiefseeregionen hinweist, die zu Artbildungsprozessen führen könnte.
Die Tiefseeregionen, die die Inseln und Unterwasserberge umgeben, sind komplexe Regionen, die größere geologische Strukturen, sowie diverse Mikrohabitate aufweisen, die zur Evolution von diversen Protistengemeinschaften geführt haben, die speziell an die komplexen und harten Bedingungen in diesem Lebensraum angepasst sind. In dieser Dissertation wurde die Zusammensetzung und Verteilung von Protisten in der Tiefsee, in verschiedenen Tiefen, dem Bathyal, Abyssal and Hadal, analysiert. Durch Amplicon Sequenzierung der V9-Region auf der 18S rDNA von Sedimentproben aus drei verschiedenen abyssalen Regionen im Nordatlantik und der Karibik, konnten hohe Variationen in der Struktur von Protistengemeinschaften auf regionaler Ebene festgestellt werden. Zusätzlich konnten auch Muster auf lokaler Ebene gefunden werden, in Sedimentproben, die ~1 m voneinander entfernt genommen wurden. Auf vertikaler Ebene, in den Sedimentkernen, nahm die Vielfalt an OTUs (operative taxonomische Einheit) mit zunehmender Sedimenttiefe ab, was mit der abnehmenden TOM (Total organic matter – gesamter organischer Kohlenstoff) Konzentration korrelierte. Dies war jedoch nicht der Fall für Proben von einer Station, an der sedimentierte Makroalgen (Sargassum) am Tiefseeboden gefunden wurden, die möglicherweise einen direkten oder indirekten Einfluss auf das mikrobielle Nahrungsgewebe haben könnten.
Auf globaler Ebene, durch den Vergleich von 11 verschiedenen Regionen im Atlantischen und Pazifischen Ozean, konnte gezeigt werden, dass verschiedene Ozeanbecken, von verschiedenen, einzigartigen Protistengemeinschaften bewohnt werden, die eine hohe Rate an Endemismus zeigen und sich von Gemeinschaften im Oberflächenwasser unterscheiden. Dabei wurde ein hohes Maß an genetischer Neuheit in den Tiefseeproben gefunden, was auf eine hohe Spezifität der Nanofauna in der Tiefsee hinweist, aber auch verdeutlicht, dass die Erweiterung der öffentlichen Referenzdatenbanken essentiell ist, um ein vollständiges Bild der Diversität abbilden zu können. Hierfür ist die Kultivierung von Protistenstämmen notwendig.
Innerhalb der aktuellen Studie wurden zwei taxonomische Gruppen detailliert untersucht, mit Hilfe von klonalen Kulturen aus Oberflächenwasser und der Tiefsee, um ihre spezifische biogeographische Verteilung und ihre ökologischen Anpassungen zu verstehen. Hierfür konnten 14 verschiedene Percolomonadida Stämme isoliert und kultiviert werden, deren Analyse zur Beschreibung von zwei neuen Familien, vier neuen Gattungen und zehn neuen Arten geführt hat. Die phylogenetischen Analysen weisen auf eine Separation zwischen den marinen Familien Lulaidae und Barbeliidae und der Familie Percolomonadidae hin, die Vertreter aus Meso- und Hypersalinen Habitaten beinhaltet. Die Isolierung und Kultivierung von 39 Cafeteria-artigen Flagellaten Stämmen hat zu einer Umstrukturierung der Cafeteriaceae geführt, mit neun neu beschriebenen und zwei bereits bekannten Arten. Sowohl innerhalb der Percolomonadida, als auch innerhalb der Cafeteriaceae hat sich gezeigt, dass einzelne Arten eine globale Verteilung in marinem Oberflächenwasser und der Tiefsee aufweisen und in der Lage sind, unter sich verändernden Umweltbedingungen (z.B. Salinität und hydrostatischen Druck) zu überleben. Dennoch schienen die meisten Arten in ihrer Verteilung auf bestimmte Lebensräume beschränkt zu sein.
Insgesamt hat die Kombination von verschiedenen Methoden innerhalb dieser Studie dazu geführt, dass ein breiter Überblick über die Diversität und die Verteilung von benthischen Protistengemeinschaften in verschiedenen Tiefen, vom Sublitoral bis zur Tiefsee gewonnen werden konnte, der unter anderem darauf hinweist, dass verschiedene Inseln der Azoren von unterschiedlichen Protistengemeinschaften geprägt sind. Räumliche Verteilungsmuster konnten auf lokaler, regionaler und sogar auf globaler Ebene in der Tiefsee festgestellt werden, die durch das hohe Maß an Heterogenität des Tiefseehabitats bedingt sein könnten. Detaillierte Analysen von einzelnen taxonomischen Gruppen haben neue Aufschlüsse über ihre biogeographische Verteilung und ihre Anpassung an verschiedene Umweltbedingungen gegeben. Die aktuelle Studie verdeutlicht die komplexen biogeographischen Verteilungsmuster von Protisten auf verschiedenen räumlichen Ebenen, die durch heterogene Habitate mit wechselnden, extremen Bedingungen geprägt sind, die eine spezifische ökologische Anpassung erfordern. | German |
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ORCID: 0000-0001-7777-4715
(2022).
Biogeography and its impact on benthic heterotrophic protists – Investigations from the littoral to the deep sea.
PhD thesis, Universität zu Köln.
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