Phylogeny, diversity and temporal dynamics of marine tintinnid ciliates
Phylogénie, diversité et dynamique temporelle chez les ciliés tintinnidés marins
Résumé
The marine protistan diversity has been historically studied based on morphological characterization but has recently been the object of intense research using molecular approaches. Studies based on the amplification of molecular markers from environmental DNA revealed an outstanding diversity, partly new and uncharacterized. However, the actual extent of this diversity remains poorly known and highly debated. The main goal of this work was to improve our knowledge on protistan diversity to bridge the gap between molecular environmental surveys and classical protistology to better understand the ecology and evolution of unicellular eukaryotes. For this purpose, we used as a model the species-rich order of the tintinnid ciliates (Tintinnida, Ciliophora), which are easily distinguishable because of their secreted shell, the lorica, and commonly found in marine waters all around the globe. A two-year monitoring of the tintinnid populations in the Bay of Villefranche-sur- Mer (Mediterranean Sea, France), combining molecular analyses of the diversity based on single-cells and environmental DNA, gave us the opportunity to describe the tintinnid community composition and its temporal dynamics. In the first part of this work, we constructed a reference molecular phylogeny for the tintinnids including new sequences from 62 specimens of diverse morphologies, for which we amplified and sequenced the ribosomal coding genes (18S, 5.8S and 28S rRNA) and the corresponding intergenic spacers (ITS1 and ITS2). The taxonomic classification of the Tintinnida has been revised based on these molecular data. In the second part, in order to assess the accuracy of molecular-based approaches to describe the natural species assemblages of tintinnids, we compared the morphology-based diversity estimates with those derived from classical (amplification, cloning and Sanger sequencing of the 18S rRNA gene) and more recent (direct pyrosequencing of amplified 18S rRNA genes and ITS regions) molecular approaches. Even if there are still some disagreements between the different methods and/or molecular markers, the culture-independent approaches were efficient to describe the morphological diversity. However, a careful and rigorous analysis of pyrosequencing datasets, including sequence denoising and stringent sequence clustering in Operational Taxonomic Units (OTUs) with well-adjusted parameters, is necessary to avoid overestimating the species number. The third part of the thesis is dedicated to the study of the genetic diversity of tintinnids over a one-year survey in the Bay of Villefranche at five different depths by combining community fingerprinting analysis using denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) with direct PCR amplification and sequencing of 18S, 5.8S, and 28S rRNA genes and ITS regions. These analyses revealed marked seasonal changes, in particular in the sequence abundances of certain OTUs. In addition, despite an enriched phylogenetic reference sequence dataset for the tintinnids, we retrieved two abundant phylotypes without any closely related known species, highlighting the possible ecological relevance of unidentified species. Finally, we studied the intra-specific diversity of populations of the species based on 18S rDNA and ITS direct sequencing of single-cells collected over a period of two years. We detected signals of hybridization and sexual recombination among different genetic variants. We also found genetic structuring of the 18S rRNA gene data differentiating populations collected at different times. The implications of all these results are discussed in the framework of the diversity and ecology of tintinnid ciliates and, more generally, of marine protists
La diversité des protistes marins planctoniques, après avoir été historiquement étudiée sur des critères morphologiques, est depuis récemment sujette à une intense recherche à l’aide d’approches moléculaires. Notamment, les études basées sur l’amplification directe de marqueurs moléculaires à partir d’ADN environnemental ont révélées une exceptionnelle diversité. L’objectif central de ce travail est d’améliorer notre compréhension sur le lien existant entre la connaissance classique des eucaryotes unicellulaires et leur diversité estimée à partir des données moléculaires, en particulier pour une meilleure interprétation des processus évolutifs et écologiques. Pour cela, nous avons utilisé comme système modèle l’ordre des ciliés tintinnidés (Tintinnida) qui constituent un groupe riche en espèces, aisément identifiables au microscope grâce à leur coquille externe (lorica) et communément rencontrés dans l’ensemble des eaux marines et lacustres du monde. Un suivi approfondi sur deux ans des tintinnidés de la Baie de Villefranche-sur-Mer (Mer Méditerrannée, France), couplant des analyses moléculaires de la diversité à partir de cellules individuelles et à partir d’ADN environnemental, a permis de caractériser la composition de ces communautés et leur dynamique temporelle aux échelles macro- et micro-évolutives. La première partie de ce travail a été destinée à la réalisation d’une phylogénie moléculaire de référence pour les tintinnidés en incorporant les séquences de 62 individus de morphologies diverses pour lesquelles des données moléculaires n'étaient pas disponibles. Nous avons amplifié et séquencé les gènes codant pour les ARN ribosomiques (ARNr 18S, 5.8S et 28S) et les espaces intergéniques correspondants (ITS1 et ITS2). La classification taxonomique a été réévaluée d’après les données moléculaires. Dans un deuxième temps, nous avons testé l’efficacité des approches moléculaires conventionnelles (amplification, clonage et séquençage Sanger du gène de l'ARNr 18S) et plus récentes (amplification et pyroséquençage de régions de l'ARNr 18S et de l’ITS), pour décrire la composition des communautés des tintinnidés dans des échantillons environnementaux en les comparant avec des estimations de la diversité par observation morphologique sur les mêmes échantillons. Si il existe de légères incongruences entre les approches et/ou les différents marqueurs employés, les approches cultureindépendantes s’avèrent efficaces pour décrire la diversité morphologique. En revanche, afin de ne pas surévaluer artificiellement le nombre d’espèces estimées à partir des données de pyroséquençage, il faut que des méthodes de débruitage et de regroupement en unités taxonomiques opérationnelles (UTOs) contraignantes soient appliquées. La troisième partie de ce travail a été dédiée au suivi temporel des communautés de tintinnidés à différentes profondeurs dans la baie de Villefranche, basé sur le clonage et le séquençage du gène de l'ARNr 18S et des régions ITS. Il apparaît des différences de distribution au cours de l’année à une même profondeur, en particulier en termes d’abondance de séquences pour une UTO donnée. Malgré un cadre phylogénétique solide et assez enrichi, l’approche moléculaire révèle des séquences éloignées des espèces déjà séquencées. La découverte de ces clades environnementaux souligne potentiellement l’importance écologique d’espèces encore mal connues. Enfin, le séquençage direct du gène de l'ARNr 18S et de l'ITS2 à partir des cellules individuelles de l'espèce a offert l’opportunité d’une étude populationnelle sur une période de deux ans. La diversité intra-spécifique mesurée met à jour des phénomènes d’hybridation entre variantes génétiques. Une structuration génétique temporelle a également été observée pour le gène de l'ARNr 18S. Les implications de ces différentes recherches sont discutées dans le cadre de l’étude de la diversité et de l’écologie des tintinnidés, et plus largement, des protistes marins.
Origine : Version validée par le jury (STAR)