Ecology and genetics of marine microbial symbionts

Abstract

Coastal areas are home to a substantial part of the world's population, making them highly vulnerable to various environmental disturbances. Coral reefs, one of the most diverse marine ecosystems, and with an immeasurable ecological and economic value, are among the most threatened. In contrast, marine lakes, which are less directly impacted by human activities, provide valuable models for evaluating the effects of climate change on marine biodiversity. Among all the species identified in these habitats, sponge species are usually one of the most abundant and diverse faunal elements. Within coral reef and marine lake ecosystems, marine sponges play a pivotal functional role, contributing to ecological balance, biodiversity, and overall ecosystem function. For instance, sponges act as filter feeders, actively contributing to the filtration of water and maintenance of nutrient cycling processes. Additionally, these organisms contribute to the formation and growth of reef structures, at the same time that provide shelter and habitat for a diverse group of other organisms, including bacteria and archaea, further enriching the complexity of these ecosystems. Currently there is an increasing number of studies highlighting the interdependence between sponges and their microbial symbionts, emphasizing the importance of this interaction in influencing their function and ecological success. However, the extent to which geographical isolation or variations across large spatial scales can influence the structure and function of sponge microbiomes (including prokaryotes and microeukaryotes) remains poorly investigated. This thesis aims to address this knowledge gap through three main studies, which seeks to enhance our understanding of how geographical factors shape the intricate relationships between sponges and their microbial communities. In the second chapter of this thesis, we aimed to investigate the impact of geographical location (marine lakes in Berau versus Papua) and the degree of marine lake connectivity to the surrounding marine environment on the prokaryotic community composition of the sponge Suberites diversicolor. The overall structural diversity analysis of the sponge communities indicated that S. diversicolor were predominantly composed of bacterial population belonging to the Proteobacteria, with a particular prevalence of Alpha- and Gammaproteobacteria, as well as Cyanobacteria. These taxa collectively constituted a significant proportion, ranging from 78% to 87% of sequence reads in all samples. We also observed that two specific OTUs (OTU-1 and OTU-3) assigned to the alphaproteobacterial order Rhodospirillales were prominent in most samples. OTU-1 was dominant in the marine lakes of Berau and Papua, while OTU-3 prevailed in the open sea habitat of Taiwan. Curiously, OTU-3 was largely absent from Papuan lakes but consistently present in all Berau lakes. The analysis of geographical location effects on the sponge bacterial communities revealed that the communities from marine lakes in Berau and Papua were significantly different from each other. We also observed that sponge communities from open sea samples were significantly different from all marine lake samples. However, our results also indicated that the degree of marine lake connectivity to the open sea exerted a discernible influence on the prokaryotic community composition of S. diversicolor. In the third chapter of this thesis, we investigated the microbiome of golf-ball sponges (genera Cinachyrella and Paratetilla) and surrounding water in two marine lakes (Kakaban and Haji Buang) and one open water habitat in Borneo. Our main goals were to compare microeukaryotic richness among biotopes, identify the most abundant microeukaryotic taxa in each biotope, identify dominant microeukaryotic OTUs and explore to what extent microeukaryotic and prokaryotic communities of golf-ball sponges show similar compositional variation. Our findings revealed significant differences in OTU richness and evenness between the sponge and water biotopes, with water samples harbouring more diverse microeukaryotic communities. Furthermore, both biotope (sponge and water) and habitat (different marine lakes) were significant determinants of microeukaryotic community composition. Prokaryotic composition, in contrast, was mainly structured by sponge host species identity, which resulted in a lack of significant congruence between prokaryotic and microeukaryotic communities inhabiting golf-ball sponges. Overall, our results highlight that microeukaryotic communities appear to be largely structured by biotope and habitat, in contrast to prokaryotic communities, which seem to be mainly structured by host sponge species identity. In the fourth chapter of this thesis, we investigated the diversity, genomic composition, and putative ecological roles of plasmidomes within the sponge Stylissa carteri (Dendy, 1889), as well as their variability across large spatial scales, around 6,000 km, in the Indo-Pacific region. The analysis of putative circular plasmids in sponge microbiomes revealed 16,596 plasmids across sampling sites, with small plasmids (<10 kbp) being dominant in all examined sponge symbiotic communities. Nevertheless, a considerable proportion of plasmids exceeding 10 kbp was also observed. Overall, our results revealed that the sponge plasmidomes predominantly consisted of site-specific plasmid assemblages, with high diversity and containing mostly novel plasmids with unknown functions. However, we could also detect the presence of a core plasmidome associated with sponges across different geographical areas. Despite of the high abundance of unknown plasmids, interesting functional trends were observed among different plasmidomes. For example, the functional analysis of the metaplasmidomes consistently detected putative genes encoding for eukaryotic-like proteins (ELPs) (Calx-beta, fn3, SRCR, and ANK), Ig-like protein domains, and RVT-CRISPR-related RTs and unclassified RVTs with relatively high abundances in all sampling sites. The prevalence of genes encoding ELPs in sponge plasmidomes indicates their potential role in horizontal gene transfer (HGT) among sponge microbial symbionts and host colonization. ELPs have been associated with enhanced bacterial persistence, host colonization, generation of antigens, adherence to host tissues, host recognition of microbes, and defense against phagocytosis. Additionally, the presence of plasmids encoding Ig-like proteins may facilitate plasmid dissemination by reducing cell motility and promoting cell-to-cell contact in the environment. Moreover, putative plasmids encoding RVT-CRISPR class RTs may contribute to microbial immunity against phages and other plasmids, potentially introducing new genetic variation in the sponge microbial community. In sum, our findings shed new light on the potential role of sponge plasmidomes as a reservoir of genetic diversity and innovation in the context of sponge-microbe symbioses. Overall, this thesis contributes to a better understanding of the complex interactions between sponge and microbial symbionts in the context of geographic isolation and spatial variation. Our findings suggest that factors such as geographical location, and connectivity to the surrounding environment influence the structure and diversity of sponge microbial communities. Our results further revealed that sponge plasmidomes predominantly consisted of highly diverse site-specific plasmid assemblages and mostly composed by novel plasmids with unknown functions. However, a core plasmidome could be detected across different geographical areas. We also detected a prevalence of genes encoding for ELPs in sponge plasmidomes. The horizontal transfer of plasmids carrying genes that encode for these proteins could play an important role in the process of sponge-microbe association. This thesis uncovers for the first time the potential of sponge plasmidomes in facilitating host-microbe symbioses.

As áreas costeiras albergam uma parte substancial da população mundial, tornando-as altamente vulneráveis a várias perturbações ambientais. Os recifes de coral, um dos ecossistemas marinhos mais diversos e de valor ecológico e económico imensurável, estão entre os mais ameaçados. Em contraste, os lagos marinhos, que são menos diretamente afetados pelas atividades humanas, fornecem modelos valiosos para avaliar os efeitos das mudanças climáticas na biodiversidade marinha. Entre todas as espécies identificadas nesses habitats, as esponjas geralmente constituem um dos elementos faunísticos mais abundantes e diversos. Nos ecossistemas de recifes de coral e lagos marinhos, as esponjas marinhas desempenham um papel funcional crucial, contribuindo para o equilíbrio ecológico, a biodiversidade e o funcionamento geral dos ecossistemas. Por exemplo, as esponjas atuam como filtradores, contribuindo ativamente para a filtragem da água e a manutenção dos processos de ciclagem de nutrientes. Além disso, esses organismos contribuem para a formação e o crescimento das estruturas de recifes, enquanto fornecem abrigo e habitat para um grupo diversificado de outros organismos, incluindo bactérias e archaea, enriquecendo ainda mais a complexidade desses ecossistemas. Atualmente, há um número crescente de estudos que destacam a interdependência entre as esponjas e os seus simbiontes microbianos, enfatizando a importância dessa interação na influência da sua função e sucesso ecológico. Contudo, a extensão em que o isolamento geográfico, ou variações em largas escalas espaciais, podem influenciar a estrutura e função dos microbiomas das esponjas (incluindo procariontes e microeucariontes) permanece pouco investigada. Esta tese visa abordar essa lacuna de conhecimento por meio de três estudos principais, que procuram aprofundar a nossa compreensão sobre como fatores geográficos moldam as complexas relações entre as esponjas e as suas comunidades microbianas. No segundo capítulo desta tese, tivemos como objetivo investigar o impacto da localização geográfica (lagos marinhos em Berau versus Papua) e o grau de conectividade dos lagos marinhos com o ambiente marinho circundante na composição da comunidade procariótica da esponja Suberites diversicolor. A análise da diversidade estrutural das comunidades de esponjas indicou que S. diversicolor era predominantemente composta por populações bacterianas pertencentes ao filo Proteobacteria, com uma prevalência particular de Alpha- e Gammaproteobacteria, bem como Cyanobacteria. Esses táxons juntos constituíram uma proporção significativa, variando de 78% a 87% das sequências em todas as amostras. Também observamos que duas OTUs específicas (OTU-1 e OTU-3) atribuídas à ordem Rhodospirillales (Alphaproteobacteria) eram proeminentes na maioria das amostras. A OTU-1 era dominante nos lagos marinhos de Berau e Papua, enquanto a OTU-3 prevalecia no habitat de mar aberto de Taiwan. Curiosamente, a OTU-3 estava em grande parte ausente nos lagos de Papua, mas consistentemente presente em todos os lagos de Berau. A análise dos efeitos da localização geográfica nas comunidades bacterianas das esponjas revelou que as comunidades dos lagos marinhos em Berau e Papua eram significativamente diferentes entre si. Além disso, observamos que as comunidades de esponjas das amostras de mar aberto eram significativamente diferentes de todas as amostras de lagos marinhos. No entanto, os nossos resultados indicaram que o grau de conectividade dos lagos marinhos com o mar aberto exercia uma influência discernível na composição da comunidade procariótica de S. diversicolor. No terceiro capítulo desta tese, investigamos o microbioma de esponjas do tipo "golf-ball" (géneros Cinachyrella e Paratetilla) e a água circundante em dois lagos marinhos (Kakaban e Haji Buang) e um habitat de mar aberto em Bornéu. Os nossos principais objetivos eram comparar a riqueza microeucariótica entre biótopos, identificar os táxons microeucarióticos mais abundantes em cada biótopo, identificar OTUs microeucarióticas dominantes, e explorar até que ponto as comunidades microeucarióticas e procarióticas das esponjas "golf-ball" mostram variações composicionais semelhantes. As nossas descobertas revelaram diferenças significativas na riqueza e equidade de OTUs entre biótopos, esponjas e água, com as amostras de água a abrigarem comunidades microeucarióticas mais diversas. Além disso, tanto o biótopo (esponjas e água) quanto o habitat (diferentes lagos marinhos) foram determinantes significativos da composição da comunidade microeucariótica. A composição procariótica, em contraste, foi principalmente estruturada pela identidade da espécie de esponja hospedeira, resultando numa falta de congruência significativa entre as comunidades procarióticas e microeucarióticas que habitam as esponjas "golf-ball". No geral, os nossos resultados destacam que as comunidades microeucarióticas parecem ser largamente estruturadas pelo biótopo e habitat, em contraste com as comunidades de procariontes, que parecem ser principalmente estruturadas pela identidade da espécie de esponja hospedeira. No quarto capítulo desta tese, investigamos a diversidade, composição genómica e possíveis papéis ecológicos do plasmidoma da esponja Stylissa carteri (Dendy, 1889), bem como a sua variabilidade numa ampla escala espacial, cerca de 6.000 km, na região do Indo-Pacífico. A análise de putativos plasmídeos circulares nos microbiomas das esponjas revelou 16.596 plasmídeos em diferentes locais de amostragem, com plasmídeos pequenos (< 10 kbp) a serem predominantes em todas as comunidades simbióticas de esponjas examinadas. Todavia, também foi observada uma proporção considerável de plasmídeos com mais de 10 kbp. No geral, os nossos resultados revelaram que os plasmidomas de esponjas consistiam predominantemente em agrupamentos de plasmídeos específicos de cada local, com alta diversidade e principalmente composto por plasmídeos novos com funções desconhecidas. Porém, também foi possível detetar a presença de um plasmidoma central associado a esponjas em diferentes áreas geográficas. Apesar da alta abundância de plasmídeos desconhecidos, foram observadas tendências funcionais interessantes entre diferentes plasmidomas. Por exemplo, a análise funcional dos metaplasmidomas detetou consistentemente genes putativos que codificam proteínas semelhantes a eucariotas (ELPs) (Calx-beta, fn3, SRCR e ANK), domínios de proteínas semelhantes a imunoglobulinas (Ig), e transcriptases reversas (RTs) relacionadas com RVT-CRISPR e RTs RVTs não classificadas com abundâncias relativamente elevadas em todos os locais de amostragem. A prevalência de genes que codificam ELPs em plasmidomas de esponjas indica o seu potencial papel na transferência horizontal de genes entre simbiontes microbianos de esponjas e na colonização do hospedeiro. As ELPs têm sido associadas ao aumento da persistência bacteriana, colonização do hospedeiro, geração de antigénios, aderência a tecidos hospedeiros, reconhecimento do hospedeiro por micróbios e defesa contra a fagocitose. A presença de plasmídeos que codificam proteínas semelhantes a Ig pode facilitar a disseminação de plasmídeos, reduzindo a motilidade celular e promovendo o contacto célula-célula no ambiente. Adicionalmente, plasmídeos putativos que codificam RTs da classe RVT-CRISPR podem contribuir para a imunidade microbiana contra fagos e outros plasmídeos, potencialmente introduzindo nova variação genética na comunidade microbiana de esponjas. Em resumo, as nossas descobertas lançam uma nova luz sobre o potencial papel dos plasmidomas de esponjas como um reservatório de diversidade genética e inovação no contexto das simbioses entre esponjas e micróbios. No geral, esta tese contribui para uma melhor compreensão das complexas interações entre esponjas e simbiontes microbianos no contexto do isolamento geográfico e variação espacial. As nossas descobertas sugerem que fatores como a localização geográfica e a conectividade com o ambiente circundante influenciam a estrutura e diversidade das comunidades microbianas das esponjas. Os nossos resultados também revelaram que os plasmidomas das esponjas consistiam predominantemente em agrupamentos de plasmídeos altamente diversos e específicos de cada local, compostos principalmente por plasmídeos novos com funções desconhecidas. No entanto, um plasmidoma central pôde ser detetado em diferentes áreas geográficas. Também detetamos uma prevalência de genes que codificam ELPs nos plasmidomas das esponjas. A transferência horizontal de plasmídeos que carregam genes que codificam essas proteínas pode desempenhar um papel importante no processo de associação entre esponjas e micróbios. Esta tese revela pela primeira vez o potencial dos plasmidomas de esponjas em facilitar as simbioses entre hospedeiro e micróbios.