Evaluation of the OPU approach in hypersaline environments

Abstract

[eng] Microorganisms comprise the majority of the richness in the planet and their current analyses have dramatically expanded our understanding of biodiversity. Particularly, microbiology of extreme environments such as acidic or hypersaline habitats has been a hot scientific topic of research since it resembles the hypothesized conditions of the origin of life. Hypersaline habitats are considered extreme environments due to their extreme conditions: high salinity, UV radiation and temperature. However, life finds its way and organisms from the three domains on life: Bacteria, Archaea and Eukarya are present in high numbers in these habitats. In this thesis, we analyze the microbial communities inhabiting different environments including brines and sediments of different salterns around the world as well as associated to plants and animals using the Operational Phylogenetic Unit (OPU) as biological entity. The OPU approach is the central core of this Thesis, and therefore we have used it as a base to elucidate biodiversity, connectivity between communities and the influence of the environmental parameters on the microbial assemblage. Throughout this thesis we have used different techniques combining culture-depending (e.g. the tandem MALDI-TOF/MS – 16S rRNA gene sequencing) and culture-independent (454 amplicon pyrosequencing) methods. Furthermore, we used different statistical tools such as multivariate techniques and co-occurrence networks in to unravel the spatial and temporal variations among microbial communities. Firstly we focused on the microbial communities associated with euhalophytes due to their capacity to concentrate salt in their internal tissues. Our results confirmed that most of the epiphytic and endophytic communities were putatively moderate halophiles and few mesophiles probably because the internal compartmentalization of the plant. We also evidenced a geographical distance effect on the microbial communities and furthermore the influence of the physicochemical parameters of the rhizospheric soils. Additionally, this Thesis includes the first report of endophytic Archaea by 16S rRNA amplicon sequencing (principally Halocuccus, Halorubrum, and Haloquadratum), presenting also microscopy evidences and cultures. Our results showed a strong predominance of Euryarchaeota, Proteobacteria, Bacteroidetes and Firmicutes in the different hypersaline habitats analyzed. Nonetheless, variations on specific taxa, both in Archaea and Bacteria were detected at different spatial scales (e.g. or the spatial differentiation of communities in distant salterns). Additionally we found novel diversity in the analyzed environments. We also used OPUs to analyze the diversity in the gastric cavity of the jellyfish Cotylorhiza tuberculata, finding that major key organisms were related to the genera Spiroplasma, Thalassospira, Tenacibaculum and Vibrio. Some of these OPUs could be potential pathogens and therefore the host may serve as dispersal mechanism. Some biotechnological applications derived from this Thesis include the identification of certain strains with plant growth promoting activity on a plant model species, which could be used as biofertilizers. The databases obtained were used in a global analysis on the suitability of OPU over traditional OTU approach. The tools used in this work produced a wide landscape of microbial diversity from mostly, but not only, hypersaline environments. Finally, the results of this Thesis are a step forward in the understanding of the diversity and the biological patterns of microbial communities based on a more detailed phylogenetic approach

[spa] Los microorganismos procariotas conforman la mayor parte de la riqueza biológica del planeta y su actual análisis ha incrementado considerablemente el conocimiento sobre su diversidad. En particular, el estudio de la microbiota de ambientes extremos, como pueden ser los hábitats ácidos o los hipersalinos son temas científicos prioritarios al ser utilizados como análogos de la vida primigenia. Los hábitats hipersalinos son considerados como ambientes extremos debido a su condiciones de elevada salinidad, radiación UV y temperatura. A pesar de estas condiciones extremas, en estos ambientes se puede encontrar vida en forma de organismos de los tres dominios de la vida: Bacterias, Archaea y Eukarya, y que se pueden encontrar en alta abundancia en estos hábitats. En la presente Tesis se analizan las comunidades microbianas que habitan en diferentes ambientes incluyendo salmueras y sedimentos de salinas de diferentes partes del mundo así como comunidades microbianas asociadas a plantas y animales usando una aproximación basada en Unidades Filogenéticas Operacionales (OPUs, del inglés Operational Phylogenetic Units) como unidad biológica. El uso de OPUs es el eje central de esta Tesis que se ha aplicado para elucidar diversidad, conectividad entre comunidades, así como la influencia de parámetros ambientales sobre las comunidades microbianas. A lo largo de esta Tesis se han usado diferentes técnicas combinando métodos de cultivo-dependientes (e.g. MALDI-TOF/MS) e independientes (pirosecuenciación por 454). Además nuestra aproximación no estuvo circunscrita a la descripción de la biodiversidad, sino que también hemos utilizado el uso de métodos estadísticos potentes tales como análisis multivariantes y otros como redes de co-ocurrencia para elucidar variaciones espaciales entre comunidades microbianas. En primera instancia, nos centramos en las comunidades microbianas asociadas a euhalófitas. Debido a la capacidad de estas plantas para concentrar sal en sus tejidos internos, se hipotetiza la posibilidad de encontrar microorganismos halófilos asociados con este microambiente hipersalino. Los resultados confirman que la mayor parte de la comunidad tanto epífita como endófita está dominada por halófilos moderados y que una menor proporción es mesófila, probablemente debido a la compartimentalización interna de la planta. También hemos evidenciado el efecto de la distancia geográfica sobre las comunidades microbianas y la influencia de los parámetros fisicoquímicos del suelo rizosférico. Adicionalmente, esta tesis incluye la primera evidencia de la existencia de arqueas endófitas (principalmente Halococcus, Halorubrum y Haloquadratum) por secuenciación, presentando evidencias de microscopía y cultivos. Los resultados en salinas mostraron una fuerte dominancia de Euryarchaeota, Proteobacteria, Bacteroidetes y Firmicutes en los diferentes hábitats estudiados. Sin embargo, hemos detectado variaciones en las abundancias de taxones específicos tanto en Archaea como en Bacteria a diferentes escalas espaciales (e.g. la diferenciación espacial de las comunidades en salinas distantes). Además hemos encontrado grupos no descritos previamente en los ambientes analizados. Asimismo, mediante OPUs se ha estudiado la microbiota que habita otro ambientes como la de la cavidad gástrica de la medusa Cothylorhiza tuberculata- Con la aproximación implementada, detectamos que los organismos clave estaban afiliados a los géneros Spiroplasma, Thalassospira, Tenacibaculum y Vibrio. Algunos de estos OPUs son considerados potencialmente patógenos y sus huéspedes (medusas) pueden ser un mecanismo de dispersión. Algunas potenciales aplicaciones biotecnológicas generadas a partir de este trabajo incluyen la identificación de cepas con capacidad promotora de crecimiento vegetal y que pueden ser empleados como biofertilizantes. Las bases de datos generadas a lo largo de la Thesis, fueron usadas para realizar un análisis sobre la idoneidad del uso de OPUs frente el uso tradicional de OTUs. Las herramientas empleadas en este trabajo han generado una visión más precisa de la diversidad microbiana en ambientes salinos e hipersalinos. Finalmente, los resultados de esta tesis permiten ampliar nuestro conocimiento sobre la diversidad y patrones biológicos de las comunidades microbianas usando un método filogenético más detallado que el uso de OTUs.

[cat] Els microorganismes comprenen la majoria de la riquesa biològica del planeta i el seu anàlisi ha expandit considerablement el nostre coneixement sobre la biodiversitat. Particularment, la microbiologia enfocada a ambients extrems tals com hàbitats àcids o hipersalins han estat un tema d’interès actual en la ciència degut a la seva semblança a les possibles condicions de l’origen de la vida. Els hàbitats hipersalins es consideren ambients extrems degut a les seves condicions extremes: alta salinitat, radiació UV i temperatura. No obstant això, la vida és capaç de prosperar en aquests ambients i organismes dels tres dominis de la vida: Bacteria, Archaea i Eurkarya es poden trobar en abundància en aquests hàbitats. En la present tesi, s’analitzen les comunitats microbianes que habiten diferents parts del món, així com les associades a plantes i animals, usant la Unitat Filogenètica Operacional (OPU) com unitat biològica. L'aproximació per OPU és el nucli d'aquest treball i l’hem usat per elucidar biodiversitat, connectivitat entre comunitats i la influència de paràmetres ambientals sobre les comunitats microbianes A través d'aquesta tesi hem fet servir diferents tècniques combinant mètodes cultiudependents (p.e. MALDI-TOF/MS) i cultiu-independents (454 pyrosequencing). A més a més, no només descrivim la diversitat dels esmentats entorns, sinó que hem recorregut a l’ús de mètodes estadístics com tècniques multivariants o xarxes de co-ocurrència per aclarir les variacions espacials entre comunitats microbianes. En primera instància, ens enfoquem en les comunitats microbianes associades a euhalòfites. Degut a la capacitat d'aquestes plantes per concentrar sal en els seus teixits interns, inicialment vàrem hipotetitzar la possibilitat de trobar microorganismes halòfils associats amb aquest micro-ambient hipersalí. Els nostres resultats confirmen que la major part de la comunitat tant epífita com endòfita està dominada per halòfils moderats i que una menor proporció era non- halòfils. També hem evidenciat l'efecte de la distància geogràfica sobre les comunitats microbianes i la influència dels paràmetres fisicoquímics del sòl rizosfèric. Addicionalment, aquesta tesi inclou la primera mostra d'arqueus endòfits per seqüenciació (principalment Halococcus, Halorubrum i Haloquadratium), però també presentant evidència microscòpica i cultius. De manera global els nostres resultats relacionats amb salines van exhibir una forta dominància d'Euryarchaeota, Proteobacteria, Bacteroidetes i Firmicutes en els diferents hàbitats analitzats. Malgrat això, hem detectat variacions en les abundàncies sobre taxes específiques a diferents escales espacials tant en Archaea com en Bacteria (e.g.. la diferenciació espacial de les comunitats en salines distants). A més a més, hem trobat nous grups no descrits prèviament en els ambients analitzats. Descriure la diversitat microbiana és una cerca incessant, per la qual, vàrem utilitzar OPUs per analitzar la diversitat associada a la cavitat gàstrica de la medusa Cothylorhiza tuberculata, trobant com a resultats que els organismes clau estaven afiliats als generes Spiroplasma, Thalassospira, Tenacibaculum i Vibrio. Alguns d'aquests OPUs són considerats potencialment patògens i els seus hostes poden estar actuant com a mecanismes de dispersió. A més a més, algunes de les potencials aplicacions biotecnològiques generades a partir d'aquesta tesi inclouen la identificació de soques amb activitat promotora del creixement d’un model d’espècie de planta. Les bases de dades obtingudes en aquest treball s'ha usat per a realitzar un anàlisi global de la idoneïtat del ús d'OPUs sobre l'ús tradicional d' OTUs. Les eines emprades en aquest treball produeixen una sinèrgia complementària obtenint una visió més àmplia de la diversitat microbiana en ambients salins i hipersalins. Els resultats d'aquesta tesi són un pas més enllà per a la nostra comprensió de la diversitat i patrons biològics de les comunitats microbianes mitjançant l'ús de OPUs.