Metagenomes and genomes of the Mediterranean Sea pelagic microbiota

Abstract

The application of genomic tools, commonly known as metagenomics, has represented a revolution in the dawn of the XXI century Microbiology. It allows to directly study microbial assemblages in their habitat, without the isolation and culture of each one of the species present in the sample. Moreover, thanks to the widely used high-throughput sequencing, the assembly of multiple genomes obtained from metagenomes (“MAGs”) have been achieved. The assembly of these MAGs allows a precise assignment of their phylogeny, distribution and, also, their ecology and metabolism. During the development of this Thesis, high-throughput sequencing has been used to study the prokaryotic community present in the off-shore water column of the Mediterranean Sea. The water column is thermally stratified during summer. However, during winter, the water column is mixed, triggering the upwelling of nutrients from mesopelagic waters. Six metagenomic samples were taken from the uppermost 100 m of the stratified (summer) water column at intervals of 15 m deep. Also, two more samples were taken during winter for comparison. By genome recruitment of the novel assembled MAGs and some reference microbes, results showed a marked distribution of microorganisms through the stratified water column. These microbes seemed to be found in layers of no more of 30-m. After comparing the two seasons, results showed a persistent prokaryotic community, although some microbes were to the season-associated, appearing only during summer or winter. Also, the analysis of rhodopsins indicated a sharp gradient of the copy number of this gene, being present in more than half of the prokaryotes in surface waters. From the pool of assembled contigs, a few fragments were detected with genes matching the genome of Ca. Nitrosopumilus, a marine archaeon belonging to the phylum Thaumarchaeota. Besides, in these contigs some common viral genes of the order Caudovirales were detected. Therefore, the second work included in this Thesis is the discovery of the first putative viruses capable of infecting this archaeal group. Lastly, in this Thesis is also included the discovery of eight novel MAGs of marine group III Euryarchaeota (MG-III), six of them collected from the photic zone, and two more from samples collected in the aphotic zone. Due to the fact that there are no cultured representatives of this group, the study of their genomes allowed to obtain information about their phylogeny and abundance in the ocean, indicating that they are ubiquitously distributed but in low numbers. Besides, from their genome, traits about their heterotrophic metabolism were attained.

La aplicación de técnicas genómicas, comúnmente conocido como metagenómica, ha supuesto una revolución en la microbiología del siglo XXI debido a que permite el estudio directo de la comunidad microbiana en su entorno natural, sin la necesidad de aislar y cultivar cada una de las especies presentes en la muestra. Además, gracias a la secuenciación de alto rendimiento utilizada actualmente se ha conseguido con facilidad el ensamblaje de numerosos genomas obtenidos a partir de metagenomas (“MAG”), que permite asignar con una mayor precisión la filogenia del microorganismo, su distribución y su ecología a partir de su metabolismo. Para el desarrollo del primer trabajo de esta tesis se ha utilizado la secuenciación de alto rendimiento para el estudio de la microbiota presente en la columna de agua del mar Mediterráneo. La columna de agua de este hábitat se encuentra térmicamente estratificada durante los meses de verano. Sin embargo, en invierno la columna se homogeniza, con el consiguiente afloramiento de nutrientes provenientes de aguas mesopelágicas. Se tomaron seis muestras en los 100 primeros metros de la columna de agua estratificada (verano) y 2 muestras adicionales en invierno. Mediante el reclutamiento de los MAGs obtenidos y otros genomas de referencia, los resultados indicaron una marcada distribución de los microorganismos, encontrándose éstos delimitados en regiones dentro de la columna de agua de no más de 30 metros de anchura. Al comparar las dos estaciones, se observó que una gran parte de la población microbiana era persistente al cambio, mientras que la población restante era susceptible, apareciendo únicamente en una de las dos estaciones. Asimismo, el análisis de la rodopsina indicó un acusado gradiente del número de copias de este gen, resultando estar presente en más de la mitad de los procariotas en aguas superficiales. De la fracción de los cóntigos virales ensamblados de los metagenomas se detectó varios fragmentos con varias proteínas similares a aquellas codificadas en el genoma de Ca. Nitrosopumilus, una arquea marina perteneciente al filo Thaumarchaeota. Además, en estos cóntigos se detectaron genes típicos del orden viral Caudovirales. Por ello, en esta tesis se incluye como segundo trabajo el descubrimiento de los primeros virus detectados capaces de infectar a este grupo de arqueas. Por último, en esta tesis también incluye la obtención mediante ensamblaje de metagenomas de ocho nuevos representantes del grupo marino III Euryarchaeota, seis de ellos provenientes de muestras recogidas en la zona fótica y dos de la zona afótica. Debido a que en la actualidad no existe ningún representante cultivado, el estudio de sus genomas ha permitido obtener información sobre su filogenia y de su abundancia en los océanos y mares, indicando que se encuentran distribuidos ubicuamente pero que contribuyen, dentro de la comunidad microbiana, con una proporción relativamente pequeña. Además, el estudio de sus genes ha permitido obtener pistas sobre su metabolismo heterotrófico.