Universität zu Köln

Venter, Paul Christiaan (2018). The protistan microbiome of German grassland soils. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

High throughput next generation sequencing (NGS) is a method used in ecological impact studies and biomonitoring to survey large sample numbers. When studying very small unicellular protists, this methodology is most optimally used in combination with morphological culture-based or other molecular techniques, to compensate the shortcomings of each method. In most studies to date, it was however used as a standalone method – therefore the biases and inclusion criteria of the NGS results become important. For this reason, we applied an own pipeline and very conservative criteria to be most inclusive (include all Unique Individual Reads – UIRs), but also very conservative (cluster to Operational Taxonomic Units - OTUs) within sequence pairwise similarity cut-offs to the closest reference sequence in the Protist Ribosomal Reference (PR2) database. The results were comparable to other similar studies, but very unique in that a detailed analysis of the true sequences was possible, and pyrotags could be compared to environmental sequences of other studies to compare the biogeography of the unknown diversity. While only a very few sequences (~1%) strictly matched protist reference sequences, pairwise identity inclusion cut-offs identified a large hidden diversity with no representatives in the PR2 database. In this dissertation, the first taxa-area relationship for protists in the mesoscale (1 – 1000 km between sampling sites) is described, being unexpectedly more similar to large animal and plant species than to other micro-organisms (fungi and bacteria). Taxa-area relationship of species overlap was discovered to decrease with increased land-use intensity (LUI – grazing livestock, mowing and fertilization). Combining the protist dataset for the 150 grassland sites in the mesoscale with georeferenced data for altogether 12 below- and aboveground trophic groups, true multitrophic homogenization could be measured as diversity changes with land-use intensification. A major conclusion of this multitrophic diversity comparison was that the α-diversity in belowground taxa increased with increased land-use, as compared to decreases in α-diversity of aboveground taxa, even though in both cases homogenization occurred. Once again, including the georeferenced grassland soil protist dataset in two more multifunctionality studies, species richness and abundance for nine below- and aboveground trophic groups were compared and two more discoveries were made. First of all, the above- and belowground species had opposing functional effects, where the rare species rather than the common species associated with high ecosystem functioning, and declined in their abundances with land-use intensification. Based on a presumed functional trade-off principle among rare species, we assume that a high diversity of rare species is more advantageous for multifunctionality than a high diversity of common species, irrespective of land-use intensification and region studied. Secondly, the combined multitrophic richness had a stronger explanatory effect on 14 ecosystem variables (services) than any single trophic group alone, where the combined provision of services and functions in trophic groups were stronger when diversity was high. This not only underlined the functional importance of biodiversity, but also the error associated with analyses based on single trophic groups alone. A closer look at the diversity of the well documented monophyletic ciliates and also the comparatively less studied polyphyletic heterotrophic flagellates in the soil protist dataset indicated a large hidden diversity in the rare species range, in both cases. Most of the pyrotags with 100% pairwise identity matched other environmental sequences rather than morphologically described species. Phylogenetic analyses indicated that even UIRs that were close matches to described refenerence species could be variants, because they displayed an individual biogeography. A further large hidden community could be described in terms of an unknown environmental diversity in the reference database (PR2) and using the already renowned “rare biosphere” in this dataset. This study concludes that the discovery of organisms in soil is tailored to the analysis method used, in addition to technological shortcomings. Furthermore, the recovery rate of species from the original site of discovery is higher than for taxa from distant sites.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Das Protistanmikrobiom der deutschen Grünlandböden German Die protistiese mikrobiom van duitse grasland velde Afrikaans
Translated abstract:	Abstract Language Hoch-Durchsatz-Sequenzierungsverfahren wie NGS (Next Generation Sequencing) ist in ökologischen Untersuchungen und Biomonitoring als Methode einsetzbar, um große Probenentnahmegebiete und Probenzahlen zu parallelisieren. Bei der Untersuchung von sehr kleinen einzelligen Protisten wird diese Methode am besten als eine Kombination aus morphologisch-kulturbasierten und molekularen Techniken verwendet, damit die Defizite der jeweils anderen Methode ausgeglichen werden können. Das molekularen Verfahren, wurde jedoch bis jetzt oft als eigenständige Methode verwendet – daher sind die Verzerrungs- und Einschlusskriterien der NGS-Ergebnisse umso wichtiger. Aus diesem Grund konstruierten wir eine eigene Pipeline mit sehr konservativen Kriterien, damit sowohl sehr spezifische (Einzigartige Einzelne Sequenzen, Unique Individual Reads - UIRs) als auch generellere (Clustern in Operationelle Taxonomische Einheiten, Operational Taxonomic Units - OTUs) Treffer zur nächsten Referenzsequenz in der Protist Ribosomal Reference (PR2) –Datenbank innerhalb paarweise ähnlicher Sequenzen-Schwellenwerte zu erhalten. Die Ergebnisse sind mit ähnlichen Studien vergleichbar, allerdings insofern einzigartig, dass eine detaillierte Analyse der ursprünglichen Sequenzen mit Umweltsequenzen aus anderen Studien direkt vergleichbar sind, um die Biogeographie der unbekannten Diversität zu vergleichen. Obwohl nur wenige Sequenzen (~1%) genau zu Protisten-Referenzsequenzen passten, wurden mit Schwellenwerten von Sequenz-Ähnlichkeiten eine große verborgene Diversität ohne Repräsentanten in der PR2-Datenbank festgestellt. In dieser Dissertation wird die erste Taxa-Areal-Beziehung für Protisten in der Mesoskala (1 – 1000 km Entfernung zwischen Probenahmestellen) beschrieben, die unerwarteterweise größeren Tier- und Pflanzenarten ähnlicher sind als anderen Mikroorganismen (Pilze und Bakterien). Die Überlappung der Taxa-Flächenarten wurde mit zunehmender Landnutzungsintensität (land-use intensity LUI - Weidevieh, Mähen und Düngung) geringer. Durch die Kombination des Protisten-Datensatzes für die 150 Grünlandstandorte in der Mesoskala mit georeferenzierten Daten für insgesamt 12 unter- und oberirdische trophische Gruppen konnte eine echte multitrophische Homogenisierung gemessen werden, wenn sich die Diversität mit der Intensivierung der Landnutzung verändert. Die Hauptschlussfolgerung dieses multitrophen Diversitätsvergleichs war, dass die α-Diversität in unterirdischen Taxa mit einer erhöhten Landnutzung im Vergleich zu einer Abnahme der α-Diversität von oberirdischen Taxa zunahm, obwohl in beiden Fällen eine Homogenisierung stattfand. Erneut wurde der georeferenzierte Grünland-Bodenprotisten-Datensatz in zwei weiteren Multifunktionalitätsstudien, Artenreichtum und Abundanz für neun unter- und oberirdische trophische Gruppen verglichen und zwei weitere erstaunliche Entdeckungen gemacht. Einerseits hatten die ober- und unterirdischen Arten gegensätzliche funktionelle Effekte, bei denen die seltenen Arten eher als die gewöhnlichen Arten mit einem erhöhten Ökosystem funktionieren und in ihrer Abundanz mit der Landnutzungsintensivierung abnahmen. Basierend auf einem angenommenen funktionellen Abwägungsprinzip bei seltenen Arten gehen wir davon aus, dass eine große Vielfalt an seltenen Arten mehr Vorteile für die Multifunktionalität bietet als eine große Vielfalt an verbreiteten Arten, unabhängig von der Intensivierung der Landnutzung und der untersuchten Region. Zweitens bietet der kombinierte multitrophische Reichtum eine bessere Erklärung für die Wirkung auf 14 Ökosystemvariablen (Dienstleistungen) als jede einzelne trophische Gruppe alleine, wo die kombinierte Bereitstellung von Diensten und Funktionen in trophischen Gruppen stärker war, wenn die Diversität hoch war. Dies unterstreicht nicht nur die funktionelle Bedeutung der Biodiversität, sondern auch den Fehler, der mit Analysen auf der Basis einzelner trophischer Gruppen verbunden ist. Ein genauerer Blick auf die Vielfalt der gut dokumentierten monophyletischen Ciliaten und die vergleichbar weniger gut studierten polyphyletischen heterotrophen Flagellaten im Bodenprotisten-Datensatz deuteten in beiden Fällen auf eine große verborgene Vielfalt innerhalb der seltenen Arten hin. Die meisten UIRs mit 100 % paarweiser Identität stimmten eher mit anderen Umweltsequenzen als mit morphologisch beschriebenen Arten überein. Phylogenetische Analysen wiesen darauf hin, dass selbst UIRs, die den beschriebenen Referenzarten sehr nahe kamen, Varianten sein konnten, da sie eine individuelle Biogeographie aufwiesen. Eine weitere große verborgene Gemeinschaft könnte anhand einer unbekannten Umwelt-Diversität in der Referenzdatenbank (PR2) und der bereits renommierten "seltenen Biosphäre" in diesem Datensatz beschrieben werden. Aus dieser Studie kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass die Entdeckung von Organismen im Boden zusätzlich zu technologischen Mängeln auf die Analysemethode zugeschnitten ist. Des Weiteren ist die Wiederfindungsrate der Arten von der ursprünglichen Fundstelle höher als die von entfernten Standorten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Venter, Paul Christiaan paulusticus@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-80150
Date:	18 January 2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Generalities, Science Economics Natural sciences and mathematics Life sciences Agriculture Civic and landscape art
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Protist; Soil; grassland; Germany; Ecology; Agriculture English Protiste; Grond; grasland; Duitsland; Ekologie; Landbou Afrikaans Protisten; Böden; Grasland; Grünland; Deutschland; Ökologie; Landwirtschaft German
Date of oral exam:	18 January 2018
Referee:	Name Academic Title Arndt, Hartmut Prof. Dr. Bonkowski, Michael Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8015