Phylogeny and taxonomy of loricate euglenids from Trachelomonas & Strombomonas genera

Mikroorganizmy eukariotyczne stanowią kosmopolityczną i liczebnie dominującą grupę organizmów, odgrywającą znaczącą rolę ekologiczną we wszystkich siedliskach, w których żyją. Szczególnie w ekosystemach wodnych autotroficzne protisty przyczyniają się w znacznym stopniu do globalnej produkcji pierwotnej. Ich ogromna różnorodność taksonomiczna, zdolności adaptacyjne oraz złożone interakcje z innymi organizmami mają znaczący wpływ na funkcjonowanie zarówno ekosystemów słodkowodnych, jak i morskich. Różne typy ekosystemów wodnych charakteryzują się obecnością zróżnicowanych grup autotroficznych mikroorganizmów eukariotycznych. Znajomość ich filogenezy, różnorodności gatunkowej i biologii ma kluczowe znaczenie nie tylko dla ochrony siedlisk, ale także dla przewidywania ich reakcji na szybko postępujące zmiany środowiskowe, takie jak eutrofizacja czy ocieplanie klimatu. Euglenofity (Euglenozoa, Discoba) są dominującą grupą producentów pierwotnych w małych, okresowo wysychających, eutroficznych ekosystemach słodkowodnych. Pomimo tego, że zostały odkryte i opisane ponad 200 lat temu, ich taksonomia, powiązania filogenetyczne, ekologia czy biologia wciąż pozostają niedostatecznie poznane, co czyni je przedmiotem badań przedstawionych w niniejszej pracy. Prezentowana rozprawa dotyczy dużej grupy euglenin domkowych, tj. przedstawicieli rodzajów Trachelomonas i Strombomonas. Celem pracy było lepsze zrozumienie ich taksonomii, ekologii oraz biologii. Pierwszym etapem w osiągnięciu zamierzonego celu było przeprowadzenie weryfikacji taksonomicznych ponad 70 gatunków (z obu rodzajów) w oparciu o próby środowiskowe oraz z wykorzystaniem danych morfologiczno-molekularnych. W drugim etapie poznano ich rozprzestrzenienie gatunkowe na przykładzie trzech wybranych rejonów Polski, do czego posłużyła znacznie powiększona i zweryfikowana baza sekwencji referencyjnych. Przeprowadzone analizy pozwoliły również na wstępną korelację występowania domkowych euglenin z poszczególnymi parametrami fizykochemicznymi wody. Ostatnim zagadnieniem podjętym w rozprawie było poznanie biologicznych podstaw tworzenia domków – w szczególności identyfikacja potencjalnych związków, białek czy szlaków metabolicznych, które mogą uczestniczyć w tym procesie. W tym celu przeprowadzono badania transkryptomiczne. Weryfikacja taksonomiczna została przeprowadzona na morfologicznie udokumentowanych izolatach środowiskowych (ponad 150) i z wykorzystaniem trzech markerów molekularnych: jądrowych podjednostek rybosomalnych (18S oraz 28S rDNA) oraz chloroplastowej małej podjednostki rybosomalnej (16S rDNA). W sumie uzyskano 327 sekwencji reprezentujących ponad 70 taksonów, z których większość nie miała dotąd swojej reprezentacji na opublikowanych drzewach filogenetycznych. Uzyskane drzewa filogenetyczne, obliczone metodą największego prawdopodobieństwa oraz inferencji Bayesowskiej, składają się z ponad 900 sekwencji. Przedstawiają one szczegółowo filogenezę rodzajów Trachelomonas i Strombomonas oraz ujawniają obecność nowej linii filogenetycznej – trzeciego rodzaju domkowych euglenin – Parastrombomonas. Wyniki analiz filogenetycznych są dodatkowo wsparte dokładnymi opisami taksonów (monad i domków), ich typifikacjami oraz grafikami pochodzącymi z protologów. Baza zweryfikowanych sekwencji referencyjnych, uzyskana na podstawie wyników weryfikacji taksonomicznych pozwoliła na wykrycie 241 OTU w próbach środowiskowych (ponad 200) zbieranych na terenie Polski (Pomorza, Mazowsza i Mazur), z czego 77 należało do euglenin domkowych, które zostały omówione pod kątem ich rozprzestrzenienia i częstości występowania (gatunki pospolite, rzadkie, bardzo rzadkie). Odnotowano również słabe korelacje między stężeniem związków azotu, fosforu, rozpuszczonego węgla organicznego oraz wyników konduktometrii, a występowaniem euglenin domkowych w wybranych zbiornikach. Ostatnia część rozprawy dotyczyła biologii budowy domków u przedstawiciela rodzaju Trachelomonas pochodzącego z kolekcji kultur. Uzyskano jego transkryptom i porównano go z dwoma innymi z blisko spokrewnionych przedstawicieli euglenin: epibiotycznego rodzaju Colacium budującego styliki śluzowe oraz Euglena gracilis, organizmu modelowego, na podstawie opublikowanego wcześniej transkryptomu. W ramach analizy porównano metabolizm tych trzech organizmów, w tym szlaki metaboliczne potencjalnie uczestniczące w produkcji komponentów śluzu pozakomórkowego. Mimo, że profile transkryptomiczne nie różniły się znacząco od siebie, u przedstawicieli Colacium i Trachelomonas wykryto transporter odpowiedzialny za wyprowadzanie na zewnątrz jonów żelaza oraz manganu, stanowiących główne metale inkrustujące domki euglenin.

Eukaryotic microorganisms are a cosmopolitan and abundant group of organisms, playing a significant ecological role in all habitats in which they live. Especially in aquatic ecosystems, autotrophic protists contribute significantly to global primary production. Their vast taxonomic diversity, adaptability and complex interactions with other organisms have a significant impact on the functioning of both freshwater and marine ecosystems. Different types of aquatic ecosystems are characterised by the presence of diverse groups of autotrophic eukaryotic microorganisms. Knowledge of their phylogeny, species diversity and biology is crucial not only for habitat conservation, but also for predicting their response to rapid environmental changes such as eutrophication or climate warming. Euglenophytes (Euglenozoa, Discoba) are the dominant group of primary producers in small, periodically drying, eutrophic freshwater ecosystems. Despite the fact that they were discovered and described more than 200 years ago, their taxonomy, phylogenetic relationships, ecology or biology are still insufficiently understood, making them the subject of the research presented in this thesis. The thesis presented here concerns a large group of loricate euglenids, i.e. representatives of the genera Trachelomonas and Strombomonas. The aim of the thesis was to better understand their taxonomy, ecology and biology. The first step in achieving this goal was to verify the taxonomy of more than 70 species (from both genera) based on environmental samples and using morphological-molecular data. The second stage was to learn about their species distribution, based on three selected regions of Poland, for which a significantly enlarged and verified database of reference sequences was used. The analyses carried out also allowed a preliminary correlation of the occurrence of loricate euglenids with particular physico chemical water parameters. The final stage of the dissertation was to learn more about the biological basis of lorica formation - in particular, to identify potential compounds, proteins or metabolic pathways that may participate in this process. To this end, transcriptomic studies were carried out. Taxonomic verification was conducted on morphologically documented environmental isolates (more than 150) and using three molecular markers: nuclear ribosomal subunits (18S and 28S rDNA) and chloroplast small ribosomal subunit (16S rDNA). A total of 327 sequences were obtained representing more than 70 taxa, most of which have not been previously represented on published phylogenetic trees. The obtained phylogenetic trees, calculated using the maximum likelihood method and Bayesian inference, consist of more than 900 sequences. They represent the phylogeny of the genera Trachelomonas and Strombomonas in detail and reveal the presence of a new phylogenetic lineage - the third genus of the loricate euglenids - Parastrombomonas. The results of the phylogenetic analyses are further supported by detailed descriptions of the taxa (monads and loricae), their typifications and images from protologues. The database of verified reference sequences, obtained from taxonomic verification results, allowed the detection of 241 OTUs in environmental samples (over 200) collected in Poland (Pomerania, Mazovia and Masuria), of which 77 belonged to loricate euglenids which were discussed in terms of their distribution and frequency of occurrence (common, uncommon, rare). It was also noted that there were weak correlations between the concentration of nitrogen and phosphorus compounds, dissolved organic carbon and conductivity results and the occurrence of loricate euglenids in the studied reservoirs. The last part of the dissertation deals with the biology of the lorica structure in a representative of the genus Trachelomonas originating from a culture collection. Its transcriptome was obtained and compared with two other closely related euglenid representatives: the epibiotic genus Colacium, known to build mucus stalks and Euglena gracilis, a model organism, on the basis of a previously published transcriptome. The analysis compared the metabolism of the three organisms, including metabolic pathways potentially involved in the production of extracellular mucus components. Although the transcriptomic profiles did not differ significantly from each other, a transporter responsible for the efflux of iron and manganese ions, the main encrustation metals of the loricate taxa, was detected in representatives of Colacium and Trachelomonas.