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Title: Effects of natural drivers on marine prokaryotic community structure
Authors: Antonioli, Marta
Keywords: Marine prokaryotesProcarioti marinitrophic interactionsARISAflagellatesNGS sequencingbiodiversityinterazioni troficheflagellatisequenziamento NGSbiodiversità
Issue Date: 11-Apr-2014
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Heterotrophic nanoflagellate (HNF) grazing is one of the major source of prokaryotic mortality in marine ecosystems, acting as a strong selection pressure on communities. Protozoans may thus affect prokaryotic abundance and alter the diversity and the taxonomic composition of the prey community, as individual prokaryotes can develop distinct grazing-resistant mechanisms. Moreover, the microbial loop is well known to regulate carbon fluxes in surface marine environments but few studies have quantified the impact of HNF predation on prokaryotes in the dark ocean. The present work was aimed to: (1) quantify the impact of HNF predation on the deep prokaryotes biomass; (2) investigate if and how prey diversity varies in response to different predation pressure; (3) define taxonomic community composition in studied areas and identify most affected prokaryotic phylotypes by HNF grazing (4) evaluate the effects of small HNF (<3 µm), which are known to dominate nano-sized compartment and represent the main bacterivores in aquatic ecosystems, being an important link between bacteria and larger protists; (5) evidence differences in community sensitivity to grazing between surface and mesopelagic ecosystems (6) identify the main environmental drivers shaping microbial community diversity. Predation experiments were performed with surface and mesopelagic water samples collected from the Southern Adriatic and Northern Ionian basins. An additional predation experiment was set up in the North-eastern Adriatic Sea. We coupled the traditional ‘dilution method’ with high-throughput molecular analysis (ARISA and Ion Torrent/454 sequencing) to provide a quantitatively and qualitatively evaluation of the grazing process occurring in marine microbial communities. The present work is structured by four manuscripts in preparation and one manuscript already submitted. 1. Heterotrophic nanoflagellate grazing on picoplankton in deep waters (manuscript in preparation) 2. Effects of heterotrophic flagellate predation on bacterial community diversity (manuscript in preparation) 3. HNF grazing impact on taxonomic composition of marine prokaryotic community (manuscript in preparation) 4. Environmental drivers structuring surface and deep bacterial communities in Adriatic and Ionian Seas (manuscript in preparation) 5. Biodiversity changes of bacterial community under predation pressure analyzed by 16S rRNA pyrosequencing (manuscript submitted) My PhD research led to important progresses in the comprehension of microbial dynamics regulating carbon cycles and bacterial diversity in the Adriatic and Ionian basins. Prokaryotic abundance and biomass were one order of magnitude higher in the photic than in the aphotic layers of Southern Adriatic and Ionian Seas (surface biomass 1.68 ± 1.76 µC L-1, deep biomass 9.00 ± 2.11 µC L-1). The Northern Adriatic community presented the highest biomass value (57.46 µC L-1), according to its richer trophic status. All in situ communities displayed the same evenness, being dominated by rare phylotypes. Rare taxa were confirmed to represent the major contributors of microbial communities, with only a few phylotypes dominant. Mesopelagic bacterial communities were as rich and variable as surface assemblages, despite the significant biomass decrease along the water column. Natural archaeal assemblages were characterized by very low richness as we recovered only two genera (Cenarchaeum and Nitrosopumilus), while in situ bacterial communities were composed by the six major marine phyla (Proteobacteria, Cyanobacteria, Bacteroidetes, Actinobacteria, Firmicutes and Deinococcus-Thermus), whose contribution varied according to sampling depth. Flagellates were demonstrated to efficiently control their preys (ingestion rates: 7.86-22.26 µg C L-1 in surface experiments, 0.53-10.61 µg C L-1 in deep experiments), causing important losses in the potentially produced prokaryotic biomass. Despite picoplankton and HNF abundance reduction with depth contrasts with the hypothesis that at least 108 picoplanktonic cells L-1 are necessary to sustain HNF community, our data confirm that also in mesopelagic waters prey and predator concentrations are sufficient to sustain efficient microbial food webs. HNF grazing modified bacterial community diversity in both surface and deep marine systems but with different strength. Mesopelagic communities were more sensitive to grazing impact, evidencing a bell-shaped response to the increasing ingestion rates. Moderate-high top-down control preserved or enhanced bacterial diversity, that fell at low predation. In upper communities grazing did not induce wide variations of bacterial richness and evenness, revealing to be more stable. Small HNF (<3 µm) were the dominant size fraction within flagellate communities and likely constituted the main bacterivores. After the removal of large HNF, a higher fraction of prokaryotic phylotypes was affected. Larger protists partially reduced small flagellate impact on their preys. Larger HNF had a more important role in photic systems compared to mesopelagic waters. The fraction of bacterial taxa favored or affected by predation when small HNF were the only predators more markedly varied in surface experiments, while few phylotypes changes their behavior between the two size treatments in deep experiments. Some taxa were consumed mainly by larger HNF (3-10 µm), while others were grazed by smaller ones (<3 µm). Over 50% of the predated phylotypes belonged to the rare biosphere, mainly in the surface experiments. Rare bacteria are thus not only a dormant ‘seed bank’ but constitute a fundamental component of microbial food webs and actively vector the carbon transfer toward higher trophic levels, being as important as dominant organisms. Although general patterns applicable to all communities were not found, trends of selectivity over different phylotypes were highlighted within sampling layer along the water column and between different systems. While the majority of predator-prey interactions were characteristic to specific environments, some can be considered common to different systems (e.g. Burkholderiaceae and Pseudomonadaceae were exclusively selected in all mesopelagic sites, Bacterivoracaceae were subjected to small HNF predation independently from sampling site or depth). The Southern Adriatic and Ionian basins were significantly distinguished by both the physicochemical water characteristics and the prokaryotes and protists abundance distributions. Cluster analysis based on Jaccard and Bray-Curtis metrics evidenced that depth and geographical location of sampling sites influenced bacterial community similarity. The Southern Adriatic Sea was clearly distinguished from the Ionian Sea. The Northern Adriatic samples were always separated from the others, coherently with different biotic and abiotic characteristics of the sub-basin. Additionally, temperature, chl a and O2 concentration represented important environmental drivers shaping biodiversity of bacterial communities that inhabit Adriatic and Ionian basins. In conclusion, we evidenced that heterotrophic flagellates control bacterial biomass and select certain taxa among all possible preys, grazing also on the rare ones. HNF predation thus shapes bacterial community structures, which in turn influence the ecosystem functioning. Despite the cell abundance decrease of both predators and preys reduces encounter probabilities, the dark ocean hosts complex microbial food webs, structured around three trophic levels (i.e. prokaryotes, small and large heterotrophic flagellates).
I nanoflagellati eterotrofi (HNF) costituiscono una delle principali cause di mortalità dei procarioti in ambiente marino, esercitando una forte selezione sulle comunità predate. Possono modificarne l’abbondanza cellulare e alterarne la diversità e la composizione tassonomica, in quanto le diverse specie procariotiche possono sviluppare distintivi meccanismi di resistenza alla predazione. Mentre l’impatto degli HNF sui procarioti degli acque marine superficiali è ben noto, pochi studi si sono focalizzati sullo studio degli ambienti profondi. Il presenta lavoro di dottorato è stato finalizzato a: (1) quantificare l’impatto della predazione da parte degli HNF sulla biomassa procariotica profonda; (2) capire se e come la biodiversità della comunità predata vari in risposta alla diversa pressione di predazione; (3) definire la composizione tassonomica delle comunità presenti nell’area di studio e identificare i filotipi maggiormente colpiti dalla predazione da parte degli HNF; (4) valutare il contributo dei piccolo flagellati (<3 µm), i quali costituiscono la più abbondante frazione nanoplanctonica e rappresentano i principali organismi batterivori negli ambienti acquatici; (5) evidenziare possibili differenze nella risposta alla predazione tra comunità procariotiche che vivono in acque superficiali e profonde; (6) identificare i principali fattori ambientali che modulano la diversità delle comunità microbiche. Esperimenti di predazione sono stati condotti su campioni di acqua superficiale e mesopelagica raccolti nel Mar Adriatico meridionale e nel Mar Ionio settentrionale. Un ulteriore esperimento è stato condotto nel Mar Adriatico nord-orientale. Il tradizionale metodo delle diluizioni è stato abbinato ad analisi molecolari quali elettroforesi capillare (ARISA) e sequenziamento (Ion Torrent e 454) per consentire una valutazione quali-quantitativa degli effetti della predazione sulle comunità microbiche marine. La presente tesi è costituita da quattro articoli in preparazione e un articolo già sottomesso: 1. Heterotrophic nanoflagellate grazing on picoplankton in deep waters (articolo in preparazione) 2. Effects of heterotrophic flagellate predation on bacterial community diversity (articolo in preparazione) 3. HNF grazing impact on taxonomic composition of marine prokaryotic community (articolo in preparazione) 4. Environmental drivers structuring surface and deep bacterial communities in Adriatic and Ionian Seas (articolo in preparazione) 5. Biodiversity changes of bacterial community under predation pressure analyzed by 16S rRNA pyrosequencing (articolo sottomesso) La ricerca condotta durante il mio dottorato ha portato a interessanti progressi nella comprensione delle dinamiche microbiche che regolano i cicli del carbonio e la diversità batterica nei bacini adriatico e ionico. L’abbondanza e la biomassa delle comunità procariotiche superficiali è risultata un ordine di grandezza superiore rispetto alle comunità profonde in Mar Adriatico meridionale e Mar Ionio (biomassa superficiale 9.00 ± 2.11 µC L-1, biomassa profonda 1.68 ± 1.76 µC L-1). La comunità descritta nel Mar Adriatico settentrionale è caratterizzata dai valori più elevati di biomassa (57.46 µC L-1), coerentemente con l’eutrofia del bacino. I flagellati eterotrofi hanno causando perdite significative nella biomassa procariotica in tutti gli esperimenti condotti, con tassi di ingestione pari a 7.86-22.26 µgC L-1 negli esperimenti superficiali e 0.53-10.61 µgC L-1 negli esperimenti profondi. Un’abbondanza picoplanctonica di 108 cellule L-1 è stata ipotizzata come necessaria per sostenere la comunità degli flagellati. Nonostante l’aumento della profondità comporti una riduzione dell’abbondanza del picoplancton tale da non raggiungere questa soglia, i nostri dati confermano che anche negli ambienti profondi si instaurano interazione preda-predatore sufficienti a sostenere le reti trofiche microbiche. Tutte le comunità in situ hanno mostrato la medesima distribuzione, con prevalenza di filotipi rari e pochi gruppi dominanti. Le comunità mesopelagiche presentano diversità e variabilità analoghe a quelle superficiali, nonostante il decremento in biomassa lungo la colonna d’acqua. Una bassa diversità è stata osservata nelle comunità naturali di Archea, dove sono stati rilevati due soli generi (Cenarchaeum e Nitrosopumilus), mentre le comunità batteriche sono composte dai sei principali phyla marini (Proteobacteria, Cyanobacteria, Bacteroidetes, Actinobacteria, Firmicutes e Deinococcus-Thermus), la cui frequenza varia in base alla profondità di campionamento. La predazione esercitata dagli HNF ha modificato la diversità delle comunità sia superficiali che profonde ma con diversi effetti. Le comunità profonde si sono dimostrate più suscettibili alla diversa intensità della predazione. Un controllo top-down medio-alto ha preservato o incrementato la diversità batterica, che invece è risultata fortemente ridotta con bassa pressione di predazione. Al contrario, le comunità superficiali hanno subito solo leggere variazioni nella biodiversità batterica in risposta ai diversi tassi di ingestione, dimostrandosi più stabili. I piccoli flagellati (<3 µm) costituiscono la frazione dominante delle comunità nanoplanctoniche. In seguito alla rimozione dei predatori >3 µm, variazione significative dell’abbondanza sono state riscontrate in una maggiore percentuale di filotipi procariotici. Flagellati di maggiori dimensioni possono quindi mitigare l’impatto dei piccoli predatori sulle prede, con una maggior influenza nei sistemi fotici. Alcuni taxa batterici sono stati consumati prevalentemente dal grandi HNF (3-10 µm), mentre altri sono stati selezionati dai piccoli flagellati (<3 µm). Oltre il 50% dei filotipi predati apparteneva alla biosfera rara, soprattutto negli esperimenti condotti in superficie. I batteri rari (0.1-1% dell’abbondanza totale) non rappresentano quindi una frazione ‘dormiente’ il cui contributo varia in seguito a cambiamenti delle condizioni ambientali, come inizialmente ipotizzato. Costituiscono invece una componente fondamentale delle reti trofiche microbiche e contribuiscono attivamente al trasferimento di carbonio verso i livelli trofici superiori, così come gli organismi dominanti. Nonostante ciascuna comunità risponda in maniera distintiva alla predazione, in funzione della composizione tassonomica delle comunità stesse e dello stato trofico del sistema, alcuni indizi di selettività sono stati individuati. Alcune interazioni preda-predatore si sono rivelate tipiche delle comunità profonde o superficiali, mentre altre erano comuni ad entrambi i sistemi (es. Burkholderiaceae e Pseudomonadaceae sono stati selezionati sono in ambiente pelagico, Bacterivoracaceae sono stati sottoposti a predazione da parte di piccolo flagellati in tutti gli esperimenti, indipendentemente dalla profondità e dal sito di campionamento). I bacini Adriatico meridionale e Ionio settentrionale sono significativamente distinti sia per le caratteristiche chimico-fisiche della colonna d’acqua, sia per l’abbondanza di pico- e nanoplancton. La cluster analisi basata sugli indici di Jaccard e Bray-Curtis ha evidenziato che profondità di campionamento e localizzazione geografica sono i principali fattori che determinano la similarità tra le comunità batteriche. Il Mar Adriatico settentrionale è risultato sempre separato dagli altri campioni, coerentemente con le diverse caratteristiche biotiche e abiotiche del bacino. Oltre a profondità e sito geografico, temperatura, concentrazione di chl a e ossigeno contribuiscono a determinare la biodiversità batterica adriatica e ionica. In conclusione, il presente lavoro ha evidenziato come i flagellati eterotrofi controllino la biomassa procariotica e mostrino preferenza per determinati taxa, selezionando anche quelli rari. La predazione influenza la struttura delle comunità e di conseguenza il funzionamento degli ecosistemi. Anche gli ambienti marini profondi ospitano complesse reti trofiche, strutturate attorno a tre livelli principali (procarioti, piccoli e grandi flagellati eterotrofi) così come le acque superficiali.
Description: 2012/2013
NBN: urn:nbn:it:units-12565
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