Taxa novelty, resistance and resilience of halophilic microbial communities of solar salterns to environmental changes

Abstract

[eng] Extremely halophilic communities thriving in coastal solar salterns are principally influenced by two main environmental factors: high salt concentrations and high sunlight irradiation. In this thesis, we focused on the study of the microbial diversity and dynamics by means of culture-dependent (tandem approach using MALDI-TOF targeting whole cell biomass and 16S rRNA gene phylogenetic reconstruction of recovered isolates) and culture-independent (metagenomic data) methodologies. The culture-dependent approach was applied to the comparison of sediments and brines of eight geographically distinct sampling sites based on more than 4200 isolates. Isolate characterization showed that we recovered members of four new genera and nine new species of the Halobacteria class, as well as representatives of the phylotype II of Salinibacter ruber (EHB-2) that had been refractory to isolation over the past fifteen years. Further, a new species of the Salinibacter genus which was classified as Salinibacter altiplanensis, was also recovered. The genome sequences of different species of the phylum Rhodothermaeota were sequenced and the genetic repertoire along an evolutionary gradient formed by these genome, focusing primarily on intraspecific variability. Analysis of members of the Salinibacter ruber phylotypes EHB-1 and EHB-2 revealed significant differences in several functional traits such as rhodopsin genes content, CRISPR-Cas systems and one T6SS secretion system that could give ecological advantages to the EHB-2 phylotypes and drive its speciation. The dynamics of these genomes as well as the remaining microbial community of salterns were also investigated, in situ, by controlled environmental perturbations related to light-intensity and salinity, in addition to the interaction between sediment and brines. We showed, by using a metagenomic approach, that light and salinity acted as deterministic factors that ultimately drove the establishment of recurrent microbial communities under near-saturation salt concentrations. Microbial communities adapted to high irradiation and salinity correlated with the known assemblages, were mainly dominated by Haloquadratum spp. and Salinibacter spp, which, generally, seemed to be highly resilient to environmentally driven changes in light intensity and salt concentrations. On the other hand, under low irradiation and salinity, different, less resistant and resilient communities established which were characterized by a higher diversity of photosynthetic and novel organisms. Stochastic processes were transiently significant during the transition phase conditions, albeit still limited when compared to deterministic processes, solely. Stochastic processes were largely associated with the activity of distinct primary producers, light and salt adaptation, and virus predation. Collectively, results reinforce the Baas-Becking hypothesis that the environment deterministically selects what is capable of thriving within it.

[spa] Las comunidades microbianas que habitan en ambientes halófilos extremos están influenciadas principalmente por dos factores ambientales: alta concentración de sales y elevada irradiación solar. En esta tesis, hemos centrado el estudio de la diversidad y dinámica de las comunidades microbianas por medio de metodologías dependientes de cultivo (e.g. MALDI-TOF/MS y filogenia basada en la secuencia del gen 16S ARNr) e independientes de cultivo (datos metagenómicos). El enfoque dependiente de cultivo permitió la comparación de la fracción cultivable de las comunidades microbianas de sedimentos y salmueras de ocho sitios de muestreo geográficamente distintos basado en el análisis de más de 4200 aislados. Este enfoque permitió el aislamiento de miembros de cuatro nuevos géneros y nueve nuevas especies de la clase Halobacteria, así como representantes del filotipo II de la especie Salinibacter ruber (EHB-2) que habían sido refractarios de aislar durante los últimos quince años. Además, se aisló una nueva especie del género Salinibacter que clasificamos como Salinibacter altiplanensis. Asimismo, se secuenciaron los genomas de las diferentes especies que conforman el filo Rhodothermaeota con el objetivo de comparar la composición génica a lo largo del gradiente evolutivo, centrándose principalmente en la variabilidad intraespecífica. Al comparar los genomas de los filotipos EHB-1 y EHB-2 de la especie Salinibacter ruber se observaron diferencias en el contenido génico como la presencia de sistemas CRISPR-Cas, sistema de secreción T6SS y diferencias en el número de genes que codifican para rodopsinas que podrían proporcionar ventajas ecológicas al filotipo EHB-2. La dinámica de esos genomas así como la comunidad microbiana de las salinas fue también investigada, in situ, por presiones ambientales controladas relacionadas con la intensidad de luz y concentración de sales, además de la interacción entre sedimentos y salmueras. Se ha observado, mediante el uso de un enfoque metagenómico, que la luz y la salinidad actúan como factores deterministas que finalmente llevan al establecimiento de comunidades microbianas recurrentes bajo concentraciones de sal cercanas a la saturación. Las comunidades microbianas adaptadas a elevada irradiación y salinidad fueron principalmente dominadas por Haloquadratum spp. y Salinibacter spp., que generalmente parecen ser altamente resilientes a los cambios ambientales relacionados con la elevada salinidad e irradiación. Por otro lado, al disminuir la irradiación y la concentración de sales, se establecen otras comunidades menos resistentes y resilientes a factores ambientales, acompañadas de un aumento en la diversidad tanto de comunidades microbianas como de organismos fotosintéticos. Los procesos estocásticos fueron transitoriamente significativos durante la fase de transición, aunque con menor medida en comparación con los procesos determinísticos. Los procesos estocásticos se asociaron en gran medida con la actividad de distintos productores primarios, la adaptación a la luz y la sal y la depredación de virus. En conjunto, los resultados refuerzan la hipótesis de Baas-Becking de que el entorno selecciona de manera determinista las comunidades

[cat] Les comunitats microbianes que habiten a ambients halòfils extrems estan influenciades principalment per dos factors ambientals: alta concentració de sals i elevada irradiació solar. En la present tesi, hem centrat l'estudi de la diversitat i dinàmica de les comunitats microbianes mitjançant metodologies cultiu-dependents (MALDI-TOF/MS i filogènia basada en la seqüència del gen 16S ARNr) i cultiu-independent (basat en l’anàlisi de metagenomes). L'aproximació cultiu dependent va permetre la comparació de la fracció cultivable de les comunitats microbianes de sediments i salmorres de vuit llocs de mostreig geogràficament diferents basat en l'anàlisi de més de 4200 aïllats. Aquesta aproximació va permetre l'aïllament de quatre nous gèneres i nou noves espècies de la classe Halobacteria, així com representants del filotip II de l'espècie Salinibacter ruber (EHB-2) que havien sigut refractàries d'aïllar durant els darrers quinze anys. A més, es va aïllar una nova espècie del gènere Salinibacter que es va classificar amb el nom de Salinibacter altiplanensis. Així mateix, se seqüenciaren els genomes de les diferents espècies que conformen el filum Rhodothermaeota amb l'objectiu de comparar la composició gènica al llarg del gradient evolutiu, centrant-se principalment en la variabilitat intraespecífica. En comparar els genomes dels filotips EHB-1 i EHB-2 de l'espècie Salinibacter ruber es varen observar diferencies al contingut gènic com la presència de sistemes CRISPRCas, un sistema de secreció T6SS i diferències amb el nombre de gens que codifiquen rodopsines que podrien proporcionar avantatges ecològics al filotip EHB-2. La dinàmica d’aquests genomes així com de les comunitats microbianes de les salines va ser també investigada, in situ, per pressions ambientals controlades i relacionades amb la intensitat de llum i concentració de sals, a més de la interacció entre sediments i salmorres. Es va observar, mitjançant l'ús d'una aproximació metagenòmic, que la llum i la salinitat actuen com factors deterministes que finalment porten a l'establiment de comunitats microbianes recurrents sota concentracions de sal pròximes a la saturació. Les comunitats microbianes adaptades a elevada irradiació i salinitat foren principalment dominades per Haloquadratum spp. i Salinibacter spp., que en el seu conjunt pareixen ser altament resilients als canvis ambientals relacionats amb elevada salinitat i irradiació. D'altra banda, en disminuir la irradiació i la concentració de sals, s'estableixen unes altres comunitats menys resistents i resilients als factors ambientals, acompanyades d'un augment de la diversitat tant de comunitats microbianes com d'organismes fotosintètics. Els processos estocàstics varen ser transitòriament significatius durant la fase de transició, encara que amb menor mesura que els processos deterministes. Els processos estocàstics s’associaren en gran mesura amb l’activitat de distints productors primaris, a l’adaptació de la llum i la sal i a la depredació de virus. En conjunct, els resultats obtinguts recolzen la hipòtesi Baas-Becking, en la qual s’estableix que l’ambient selecciona de manera determinista les comunitats.