Morphological and Genetical Variability of Cyanobacteria
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
Palacký University Olomouc Faculty of Science Department of Botany Morphological and genetical variability of cyanobacteria Ph.D. Thesis Mgr. Petr Dvořák Supervisor: Prof. RNDr. Aloisie Poulíčková, CSc. Olomouc 2013 Acknowledgements I would like to express my gratitude to Professor Aloisie Poulíčková for her friendly and professional supervision. I am also grateful to Doc. Petr Hašler who helped me get through the complicated microcosm of cyanobacterial evolution. I thank my colleagues Dr. Jeff Johansen and Melissa Vaccarino who introduced me to molecular techniques. Finally, gratitude goes to my colleagues from the Departments of Botany and Ecology who provided a friendly and inspiring environment for my research. Declaration I declare that this Ph.D. thesis has been written solely by myself. All the sources quoted in this work are listed in the “Reference” sections. All published results included in this thesis have been approved by the co-authors. In Olomouc, 16th January, 2013 Mgr. Petr Dvořák Abstract Recent discoveries point to the significance of cyanobacteria as primary producers in diverse ecosystems. However, given their enormous diversity, the majority remain uncharacterized. In this thesis, I have investigated the morphological and molecular features of benthic and aerophytic cyanobacteria and explored the global spatial and temporal patterns of their dispersal within free-living cyanobacteria. The taxonomy of Nodularia sphaerocarpa, N. harveyana, and N. moravica was investigated by a combination of 16S rRNA sequencing, AFLP and ecophysiological experiments using a gradient of salinity. Ecophysiological experiments revealed that N. sphaerocarpa together with N. moravica are more sensitive to higher salinity while, N. harveyana is less sensitive and its morphology (i.e. cell width) is more stable. The status of N. moravica, previously only described according to morphology, was confirmed by molecular data. In conclusion, there is convincing evidence for the importance of ecological parameters in the taxonomy of cyanobacteria. Epipelic cyanobacteria of genera Microcoleus, Phormidium and Geitlerinema sampled from European lakes were investigated. Microcoleus vaginatus and Phormidium autumnale are a monophyletic complex of species which should be revised as neither belong to the original genus. M. vaginatus isolated from desert soil crusts clustered together with epipelic isolates based on 16S rRNA. Only 16S-23S ITS secondary structures could be used to differentiate between such dissimilar habitats. P. formosum was confirmed as a genuine species by molecular markers. Moreover, there may be two cryptic species. It had been suggested that genus Geitlerinema is polyphyletic. 16S rRNA phylogeny showed three groups spread within cyanobacteria. G. splendidum, G. carotinusum, and G. pseudacutissimum formed separate clusters but their original assignment to Pseudanabaenaceae was challenged because all studied species were closely related to Phormidiaceae. The new genus Johansenia was derived from the epipelic genus Komvophron based on sequences of 16S rRNA and 16S-23S ITS obtained by Single Filament PCR optimized for epipelic cyanobacteria. The phylogeny revealed the position of Johansenia within Pseudanabaenaceae. Moreover, the validity of K. hindakii was confirmed but it clustered together with members of the Gomontiellaceae. In conclusion, the genus Komvophoron is a polyphyletic group which deserves more attention. Global spatial and temporal dispersal patterns of M. vaginatus were characterized by phylogeny of 16S rRNA, 16S-23S ITS and molecular clock based dating. The first evidence for geographical isolation within free-living, non-extremophylic cyanobacteria on a continental level was found. However, dating analysis revealed that the geographical barriers have not been permanent over time. Dating analysis proves to be a unique way of dating the divergence of cyanobacterial species. Abstrakt Sinice jsou významnými primárními producenty v široké škále akvatických i terestrických ekosystémů. Nicméně diverzita sinic je natolik rozsáhlá, že většina z ní zůstává nepopsaná. V této dizertační práci byla zkoumána morfologická a molekulární diverzita bentických a aerofytických sinic. Navíc byly zkoumány globální prostorové a časové změny v rozšíření volně žijících sinic. Kombinace sekvenovaní 16S rRNA, AFLP analýzy a ekofyziologických experimentů v gradientu salinity byla využita k získání nových poznatků z taxonomie druhů Nodularia sphaerocarpa, N. harveyana, a N. moravica. N. sphaerocarpa a N. moravica mají podle ekofyziologických experimentů vyšší senzitivitu ke zvýšené úrovni salinity. Oproti tomu N. harveyana je méně citlivá a navíc morfologie (šířka buňky) je v gradientu salinity stabilnější. N. moravica byla původně popsána pouze na základě morfologie. Validita tohoto druhu byla potvrzena s použitím molekulárních dat. Ekofyziologické experimenty také poskytly přesvědčivý důkaz o důležitosti ekologických parametrů v taxonomii sinic. Byly analyzovány epipelické sinice rodů Microcoleus, Phormidium a Geitlerinema izolované z evropských jezer. Microcoleus vaginatus a Phormidium autumnale tvoří monofyletický komplex druhů, který by měl být podroben revizi, protože ani jeden z těchto druhů nenáleží do původního rodu. Kmeny M. vaginatus izolované z pouštních krust náležely do stejného kladu s epipelickými izoláty na základě analýzy 16S rRNA. Kmeny bylo možné rozlišit pouze na základě sekundárních struktur v 16S-23S ITS. Druh P. formosum byl potvrzen s použitím molekulárních dat. Navíc byly v rámci P. formosum klastru identifikovány dva pravděpodobně kryptické druhy. Rod Geitlerinema byl již v minulosti shledán polyfyletickým. Toto bylo potvrzeno fylogenetickou analýzou 16S rRNA, kde byly nalezeny tři separátní linie v rámci sinic. G. splendidum, G. carotinusum, a G. pseudacutissimum tvořily oddělené linie, které byly blízce příbuzné k čeledi Phormidiaceae, ačkoliv byly původně řazeny do Pseudanabaenaceaea. Pomocí sekvencí 16S rRNA a 16S-23S ITS získaných Single Filament PCR optimalizovaných pro epipelické vzorky byl oddělen nový rod Johansenia od rodu Komvophoron. Johansenia náleží na základě fylogenetické analýzy do čeledí Pseudanabaenaceae. Původně morfologický popsaný druh K. hindakii byl potvrzen fylogenetickou analýzou 16S rRNA, podle které náležel k členům čeledi Gomontiellaceae. Rod Komvophoron je tedy polyfyletická skupina zasluhující větší pozornost. Fylogenetická analýza a molekulární hodiny založené na 16S rRNA a 16S-23S ITS byly využity na charakterizování globálních prostorových a časových bariér rozšíření M. vaginatus. Tímto byl získán první důkaz pro existenci geografické izolace u volně žijících neextrémofilních sinic. Nicméně geografické bariéry neměly permanentní charakter. Navíc tato studie přináší unikátní vyobrazení datování divergence druhů u sinic. Contents 1. Introduction ............................................................................................................................. 9 1.1. Taxonomy of cyanobacteria: an overview ........................................................................ 9 1.2. Molecular markers used in taxonomy of cyanobacteria ................................................. 11 1.3. Some problematic generic/species complexes in this study ........................................... 12 1.3.1. Benthic Nodularia ................................................................................................... 12 1.3.2. Genera Phormidium and Microcoleus ..................................................................... 13 1.3.3. Genus Geitlerinema ................................................................................................. 14 1.3.4. Genus Komvophoron ............................................................................................... 14 1.4. Ecology of benthic and aerophytic cyanobacteria .......................................................... 15 1.4.1. Microbial mats: a general view ............................................................................... 15 1.4.2. Cyanobacterial mats of saline environments ........................................................... 15 1.4.3. Epipelic communities .............................................................................................. 16 1.4.4. Soil communities ..................................................................................................... 16 1.5. Biogeography of cyanobacteria ...................................................................................... 17 2. Aims ...................................................................................................................................... 19 3. Conclusions and future prospects .......................................................................................... 20 3.1. Polyphasic characterization of the benthic Nodularia .................................................... 20 3.2. Morphological and molecular diversity of some common epipelic cyanobacteria ........ 20 3.3. Molecular diversity of Komvophron based on Single Filament PCR ............................. 22 3.4. A phylogeography of the Microcoleus vaginatus ........................................................... 23 4. References ............................................................................................................................. 25 5. List of papers included in the thesis ...................................................................................... 31 1. Introduction