Taxonomy and molecular phylogeny of monoraphid marine benthic diatoms with an account on their oil production potential

Streszczenie

W niniejszej rozprawie doktorskiej przedstawiono badania nad wybranymi taksonami okrzemek jednorafowych pochodzących z litoralu morskiego na całym świecie. Pozycja taksonomiczna wybranych okrzemek była niepewna lub niewłaściwie wyznaczona. Częstym zjawiskiem w artykułach naukowych jest błędna identyfikacja okrzemek z rodzajów Schizostauron i Astartiella ze względu na zagmatwaną historię taksonomiczną lub delikatny pancerzyk utrudniające prawidłową identyfikację. Z drugiej strony Cocconeis, trzeci z badanych rodzajów, jest polifiletyczny, a taksony jednorafowe o cechach zbliżonych do cech charakterystycznych dla gatunku typowego dla rodzaju Cocconeis, C. scutellum są do niego przypisywane bez względu na ultrastrukturę czy filogenezę molekularną. Cocconeis należy do rodzajów, które są najczęściej rejestrowane w badaniach ekologicznych, zwłaszcza w wodach słodkich. Do analizy sekwencjonowania genomu wybrano szczep Schizostauron trachyderma, ponieważ jego morfologia była bardzo dobrze udokumentowana, a filogeneza oparta na trzech genach pochodzi z wcześniej opublikowanych badań. Gatunek ten został również wybrany do analizy zawartości lipidów, ze względu na dostępność wielu kultur monoklonalnych i ich niewymagające zachowanie w hodowli.


W pierwszej części przedkładanej pracy omówiono pozycję taksonomiczną i filogenetyczną okrzemek z rodzajów Schizostauron i Astartiella w oparciu o analizę cech morfologicznych i dane dotyczące sekwencji DNA. Opisano dwie nowe kombinacje i trzy nowe gatunki Schizostauron, a także sześć nowych gatunków Astartiella. Opis nowych taksonów oparto na 28 kulturach i dzikich okazach z próbek, z których wyizolowano kultury. Dane
składające się z opisu gatunków obejmowały kształt i liczbę plastydów, morfologię pancerzyka oraz opis ultrastruktury na podstawie mikrofotografii LM, SEM i TEM. Pozycję filogenetyczną tych taksonów zrekonstruowano na podstawie trzech markerów molekularnych SSU, rbcL, psbC.


W drugiej części pracy podsumowano zbiorowiska przedstawicieli rzędu Achnanthales, które zostały zebrane z wyspy Raivavae na południowym Pacyfiku. Przeprowadzono analizę kladystyczną Cocconeis vaiamanuensis i taksonów pokrewnych (Achnanthidium, Karayevia, Lemnicola, Pauliella, Planothidium, Platessa, Psammothidium, Rossithidium) z formalną analizą ultrastruktury Cocconeis. Ponadto filogeneza Cocconeis spp. została zrekonstruowana w oparciu o sekwencje dostępne online i sekwencję Cocconeis cf. sigillata ze szczepu wyizolowanego z chińskiej strefy przybrzeżnej Laoshan Shangquan z Morza Żółtego. Rekonstrukcja filogenetyczna oparta na bazie danych genów rbcL dostępnych taksonów Cocconeis wskazuje, że rodzaj ten nie jest monofiletyczny.


W trzeciej części przedstawiono kompletny genom mitochondrialny i plastydowy S. trachyderma. Na podstawie niewielu danych dostępnych w repozytoriach zrekonstruowano wielogenową filogenezę obu genomów. Otrzymane dane porównano z genomami blisko spokrewnionych gatunków okrzemek, które były dostępne w GenBanku® (repozytorium internetowym). Analiza ta jest zarówno uzupełnieniem analizy filogenetycznej z podobnymi wynikami wskazującymi, że Schizostauron jest spokrewniony z członkami rodziny Stauroneidaceae, jak i dodatkowym rozszerzeniem referencyjnej bazy danych molekularnych dla przyszłych badań morskich jednorafowych okrzemek bentosowych. Te dwa genomy to pierwsze opublikowane genomy okrzemek jednorafowych.


Czwarta część dotyczyła analizy zawartości lipidów i obejmowała pięć szczepów Schizostauron spp. (cztery z S. trachyderma i jeden ze Schizostauron kajotkei). Jeden ze szczepów, wyizolowany z rozmnażającej się płciowo mieszaniny S. trachyderma, pochodził od komórki pierwszego podziału, największej komórki dla danego gatunku. Proces rozmnażania płciowego zapoczątkowano u szczepów monoklonalnych S. trachyderma w celu szczegółowego określenia typu rozmnażania. Takie dane są dodatkowym wskaźnikiem tożsamości rodzaju Schizostauron. Ponadto, konieczne było przeprowadzenie eksperymentu w celu wyizolowania komórek pierwszego podziału do dalszych badań. Bez tych komórek analiza zawartości lipidów nie byłaby możliwa. Po 14-dniowym eksperymencie komórki każdego szczepu wybarwiono barwnikiem fluorescencyjnym Nile Red. Wartość fluorescencji mierzono zarówno za pomocą cytometrii przepływowej, jak i mikroskopii konfokalnej w celu znalezienia
zależności między wielkością komórek a intensywnością fluorescencji (zdolnością akumulacji lipidów). Zarówno pomiary cytometrii przepływowej, jak i wyniki pomiarów kropelek lipidów wskazują na pozytywny związek wielkości komórek S. trachyderma z wielkością kropelek lipidów.


Badania, które zostały zaprezentowane w przedłożonej rozprawie doktorskiej dotyczą aktualnych problemów w diatomologii i charakteryzują się multidyscyplinarnym podejściem do taksonomii i filogenezy w ogólności. Ich wyniki we wszystkich swoich aspektach mają charakter nowatorski i są pierwszymi tego typu dla jednorafowych morskich okrzemek bentosowych. Co więcej, udokumentowanie cyklu życiowego S. trachyderma pomaga lepiej zrozumieć historię kolejnej linii ewolucyjnej okrzemek jednorafowych, która powstała niezależnie od linii ewolucyjnych rodzin Achnanthaceae, Cocconeidaceae i Achnanthidiaceae, dla których badania tego typu nadal oczekują na realizację. Wreszcie, indukowanie rozmnażania płciowego umożliwiło rozwój komórki pierwszego podziału, która była prawie dwukrotnie większa od komórki macierzystej. Szczepy pochodzące z obu tych komórek zostały wykorzystane w eksperymencie dotyczącym zawartości lipidów. Być może unikalna technika zastosowana do pomiarów kropelek lipidów pomoże w usprawnieniu procesu optymalizacji wzrostu biomasy okrzemek.

Summary

In a forwarded PhD thesis, the research on monoraphid diatom taxa originating from marine littoral worldwide is presented. The taxonomic position of diatoms selected for this study was uncertain or inappropriately designated. Species belonging in Schizostauron and Astartiella, are often misidentified due to their confusing taxonomic history or lightly silicified frustule impeding proper identification. Cocconeis on the other hand, is a polyphyletic genus, to which almost all cocconeid taxa are assigned, with no regard to ultrastructure or molecular phylogeny. Cocconeis is among genera, that are the most frequently recorded in ecological surveys, especially in the fresh water habitats. A strain of Schizostauron trachyderma was selected for plastidic and mitochondrial genome sequencing analyses because its morphology was very well documented and three-gene based phylogeny was already available from previous studies. Moreover, this species was also selected for lipid capacity analysis, because of availability of multiple monoclonal cultures and undemanding behaviour in culture.


In the first part of the thesis the taxonomic and phylogenetic position of Schizostauron and Astartiella is discussed with morphological characters analysis and DNA sequence data. Two new combinations are proposed and three Schizostauron species new to science are described, along with six Astartiella species new to science. Description of new taxa was based on 28 cultures and wild specimens from samples that cultures were isolated from. The data comprising of species description included plastid shape and number, valve morphology and ultrastructure description based on LM, SEM and TEM microphotographs and focus ion beam (FIB)nanocuts. Phylogenetic position of these taxa is reconstructed based on three molecular markers SSU, rbcL, psbC.


The second part consists of summation of Achnanthales assemblages, that occurred on Raivavae, an island on South Pacific. Cladistic analysis of Cocconeis vaiamanuensis and allied taxa (Achnanthidium, Karayevia, Lemnicola, Pauliella, Planothidium, Platessa, Psammothidium, Rossithidium) with formal analysis of ultrastructure of Cocconeis was provided. Moreover, the phylogeny of Cocconeis spp. was reconstructed, based on sequences available online and one sequence of Cocconeis cf. sigillata isolated from Chinese littoral zone in Laoshan Shangquan in the Yellow Sea coastal area. The phylogenetic reconstruction based on rbcL gene database of available Cocconeis taxa indicate that the genus in not monophyletic.


In the third part the complete mitochondrial and plastid genome of S. trachyderma was assembled and genes were annotated. Based on the limited data that is available in online repositories, the multigene phylogeny was reconstructed for both organellar genomes. The data was compared with the genomes of closely related diatom species that were available in online repository. This analysis is both, supplementary to the phylogenetic analysis with similar results indicating that Schizostauron is related to members of the Stauroneidaceae family, and additional to expand the reference molecular database for future research of marine monoraphid benthic diatoms. The two genomes are the first monoraphid diatom genomes published online.


The fourth part concerns analysis of the lipid production capacity that includes five strains of Schizostauron spp. (four of S. trachyderma and one of Schizostauron kajotkei). One of the strains originated from initial cell division, isolated from sexually reproducing S. trachyderma mixture. The sexual reproduction process was induced in S. trachyderma monoclonal strains in order to observe its mating type. Such data is the additional indication to Schizostauron genus identity. Moreover, mating experiment was necessary in order to isolate initial cells for further research. Without the biggest cells of this species, the lipid capacity analysis would not be possible. The growth rate of the strains was calculated and the cells dimensions were taken. After 14-day experiment, the cells of each strain were stained with Nile Red fluorescent stain. The value of fluorescence was measured with both flow cytometry and confocal microscopy in order to find the relationship of cells size and fluorescence intensity/lipid accumulation capacity. Both, flow cytometry measurements and lipid droplets metrics results indicate the positive relation of S. trachyderma cells size to the lipids droplet radius.


The research that is presented in forwarded PhD thesis deals with current problems in diatomology and is characterized by a multidisciplinary approach to taxonomy and phylogeny in general. Their results, in all their aspects, are innovative and are the first of their kind for monoraphid marine benthic diatoms.. Furthermore, documenting the life cycle of S. trachyderma helps to better understand the evolutionary history of a monoraphid diatom lineage that is distinct from the monoraphid familied Achnanthaceae, Cocconeidaceae and Achnanthidiaceae, for which research of this type is still pending. Finally, the documentation of sexual reproduction enabled for the development of a cell that was nearly twice the size of the mother cell, which was used in the lipid capacity experiment. The unique technique that was applied to lipid droplets measurements will hopefully aid in improving the process of optimizing biomass growth of diatoms.

Tytuł
Taxonomy and molecular phylogeny of monoraphid marine benthic diatoms with an account on their oil production potential
Twórca
Górecka Ewa
Promotor
prof. dr hab. Witkowski Andrzej, prof. US
Promotor
dr Gastineau Romain (promotor pomocniczy)
Dyscyplina naukowa
Dziedzina nauk ścisłych i przyrodniczych; Nauki biologiczne
Instytucja
Instytut Nauk o Morzu i Środowisku
Miejsce wydania
Szczecin
Data
2022
Język
angielski
Słowa kluczowe
Astartiella; Cocconeis; Schizostauron; filogeneza; genom; rozmnażanie płciowe okrzemek; cykl życiowy; lipidy
Słowa kluczowe
phylogeny; genome; diatom sexual reproduction; life cycle; lipid
Opis
Informacja w BIP: https://bip.usz.edu.pl/doktorat-habilitacja/16888/ewa-katarzyna-gorecka
Prawa autorskie
Rozprawa doktorska zarchiwizowana po publicznej obronie, udostępniona na podstawie umowy licencyjnej z autorem
Kategorie
Rozprawy doktorskie
Data udostępnienia28 lis 2022, 08:55:20
Data mod.23 gru 2022, 07:59:12
DostępPubliczny
Aktywnych wyświetleń0