High-throughput cultivation of heterotrophic bacteria during a north sea spring bloom and genomic insights into the genus winogradskyella

Resumen

Las aguas costeras que rodean la isla de Helgoland, ubicada en la ensenada alemana en el Mar del Norte, experimentan anualmente una floración primaveral de fitoplancton en paralelo con el aumento de la luz solar y la temperatura. Estos fenómenos de floración inducen floraciones secundarias de bacterias planctónicas que desencadenan una sucesión de distintos clados bacterianos. En esta tesis, nos centramos en el estudio de la diversidad y la dinámica microbiana relacionada con la floración mediante metodologías dependientes de cultivo (enfoque en tándem utilizando Whole Cell MALDI-TOF MS y reconstrucción filogenética del gen 16S rARN de los aislados recuperados) e independientes del cultivo (secuenciación de amplicones de gene 16S rARN, datos genómicos y metagenómicos). El enfoque dependiente de cultivo consistió en realizar un cultivo de alto rendimiento en placas de agar sólido para recuperar una colección de más de 5.000 bacterias heterótrofas vinculadas a las aguas en floración primaveral de Helgoland durante el año 2016. Para ello, se emplearon ocho medios de cultivo que se diferenciaban entre sí principalmente por la concentración y fuente de carbono. La mayoría de las 4.136 cepas identificadas afiliaron con Alphaproteobacteria (40,6%), Gammaproteobacteria (26,9%), Bacteroidetes (13,3%) y Actinobacteria (6,7%). El esfuerzo realizado resultó en una gran cantidad de nuevos aislamientos puesto que a partir de las 271 unidades filogenéticas operativas (OPU) identificadas, 13 representaron potenciales nuevos géneros y 143 potenciales nuevas especies. La colección de cultivos de la presente tesis condujo al aislamiento de 41 cepas afiliadas al género Winogradskyella pertenecientes a la clase Flavobacteriia del filo Bacteroidetes. Es sabido que las flavobacterias desempeñan un papel importante en la remineralización de la materia orgánica de los océanos, especialmente por su capacidad de degradación de la materia orgánica compleja como la biomasa derivada de algas de las floraciones primaverales. Entre los aislados de Winogradskyella antes mencionados, que representaban diez especies, secuenciamos 15 genomas para investigar su taxonomía y ecología. El análisis filogenético, genómico y fenotípico de los aislamientos reveló que, entre las diez especies diferentes que coexisten en las aguas del Mar del Norte, ocho representaban nuevas especies que describimos formalmente. Además, se recuperaron quince genomas ensamblados de metagenomas (MAGs) de muestras tomadas en el mismo lugar en los años 2010-2012 y 2016. Todos los MAGs pertenecían a una única especie, pero de un linaje filogenético diferente al de los cultivos y fue clasificado como una nueva especie Candidatus. Con la información de los genomas y metagenomas analizamos sus características genómicas y metabólicas, con especial énfasis en la capacidad de degradar polisacáridos derivados de algas. Las secuencias de los genomas formaron dos linajes principales, el primero representado principalmente por organismos cultivados caracterizados por genomas más grandes ~ 4,3 Mb (± 0,4 Mb) y una gran abundancia y diversidad de Locis de Utilización de Polisacáridos (PULs). Por el contrario, el segundo linaje estuvo representado principalmente por MAGs de ~ 2,3 Mb por genoma y algunos aislados que mostraron genomas entre ~ 3,0 - 3,5 Mb. Este linaje, además de tener genomas más pequeños, mostró menos variedad y número de PULs, revelando que incluso ambos linajes muestran capacidades de degradación, parecen ocupar diferentes nichos y tener diferentes roles en el medio ambiente.