Eukaryotic microbial plankton and nutrient supply in the Eastern Mediterranean Sea

Abstract

Marine microbial eukaryotes have crucial roles in the water column ecosystem; however, there are regional gaps in the investigation of natural microbial eukaryote communities and uncertainties concerning their distribution persevere. This study combined 18S rRNA metabarcoding, biomass measurements and statistical analyses of multiple environmental variables to examine the ecology, the diversity and the composition of planktonic microbial eukaryotes at the Eastern Mediterranean Sea, while trying to deepen the understanding of the relationship between plankton and nutrient supply. Initially, the composition and distribution of microbial plankton eukaryotes at the ultraoligotrophic Eastern Mediterranean open sea, was studied. Our results showed that microbial eukaryotic communities were structured according to seawater depth. In surface waters,different sites shared high percentages of molecular operational taxonomic units (MOTUs), butthis was not the case for deep-sea communities. Plankton biomass, on the other hand, was significantly different among sites, implying that communities of a similar composition may notsupport the same activity or population size. Water temperature and dissolved organic matter were found to significantly affect community distribution. Micro-eukaryotic distribution was additionally affected by the nitrogen-to-phosphorus ratio (N/P) and viral abundance, whilesmaller-in-size communities were affected by zooplankton. Therefore, it is underlined that, even within restricted oceanic areas, marine plankton may follow distribution patterns that are largely controlled by environmental variables. External inputs into marine coastal ecosystems increase as a result of expanding human activities. Following the changes in the water column physiochemistry after land inputs, the planktonic community is affected. The second part of this work studied the structure and composition of planktonic eukaryotic communities from coastal areas of the Eastern Mediterranean. In particular, three coastal areas that receive high nutrient input from adjacentrivers and nearby agricultural activity were studied, in comparison to three areas that receive lower nutrient input and showed lower nutrient concentration in the water column. Dinoflagellataprevailed regardless of the nutrient disturbance, however, phylla as Bacillariophyta and Chlorophyta were more prominent in the most nutrient affected areas. Eukaryotic communities of the most affected areas were associated with variables such as chlorophyll, dissolved nitrogen and oxygen concentration and prey abundance; thus, the altered community composition of the affected areas was associated to resources availability and higher trophic status. To further study the ecological relationships created under the different enrichment conditions, coexistence networks of eukaryotic microorganisms were constructed. The ecological network of the areas receiving greater inputs from the land exhibited fewer species-to-species relationships, was less coherence and specific microorganisms were found to play a greater role. Overall, differences were found both in the ecological relationships and in the diversity and composition of the eukaryotic plankton community between areas that receive varying anthropogenic nutrient inputs. Finally, the effects of the abrupt input of high quantities of dissolved inorganic nitrogen and phosphorus were investigated in an attempt to simulate the nutrient disturbances caused by eutrophication and climate change. Two nutrient levels were created through the addition of different quantities of dissolved nutrients in a mesocosm experiment. During the developed blooms, compositional differences were found within bacteria and microbial eukaryotes, and communities progressed towards species of faster metabolisms. Regarding the different nutrient concentrations, different microbial species were associated with each nutrient treatment and community changes spanned from the phylum to the operational taxonomic unit (OTU) level. Network analyses revealed important differences in the biotic connections developed: more competitive relationships were established in the more intense nutrient disturbance and networks of contrasting complexity were formed around species of different ecological strategies. According to these results sudden disturbances in water column chemistry lead to the development of entirely different microbial food webs with distinct ecological characteristics. In conclusion, plankton biomass responds even in slight nutrient concentration changes, however, it seems that the composition of eukaryotic community responds only to intense nutrient level changes. The network analysis of plankton suggests that the overall changes of the water column system are highly depended to the relationships among microorganisms. Overall, this study gives fresh perspective to the ecological approach of plankton microbial eukaryotes in connection to the nutrient supply in the water column.Οι ευκαρυωτικοί μικροοργανισμοί διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στο οικοσύστημα της στήλης του νερού. Ωστόσο, έχουν διαπιστωθεί αρκετές ελλείψεις όσον αφορά τη μελέτη των κοινοτήτων αυτών στο φυσικό τους περιβάλλον καθώς και αβεβαιότητες σχετικά με την κατανομή και τη σύσταση της κοινότητας. Η παρούσα μελέτη συνδύασε αναλύσειςmetabarcoding του 18S rRNA γονιδίου, μετρήσεις βιομάζας και στατιστική ανάλυση πολλαπλών περιβαλλοντικών μεταβλητών για να εξετάσει την οικολογία, την ποικιλότητα και τη σύσταση των κοινοτήτων του ευκαρυωτικού μικροβιακού πλαγκτού στην Ανατολική Μεσόγειο, και μάλιστα δίνοντας έμφαση στην παροχή ανόργανων θρεπτικών.Αρχικά μελετήθηκε η κατανομή των πλαγκτονικών μικροβιακών ευκαρυωτών στην υπερολιγοτροφική Ανατολική Μεσόγειο Θάλασσα. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι η σύνθεση των κοινοτήτων αλλάζει ανάλογα με το βάθος της στήλης του νερού. Η βιομάζα του πλαγκτού, από την άλλη πλευρά, ήταν σημαντικά διαφορετική μεταξύ των σταθμών υποδηλώνοντας ότι κοινότητες παρόμοιας σύνθεσης δεν υποστηρίζουν την ίδια δραστηριότητα ή δεν έχουν το ίδιο πληθυσμιακό μέγεθος. Η θερμοκρασία του νερού και το διαλελυμένο οργανικό υλικό διαπιστώθηκε ότι επηρεάζουν σημαντικά την κατανομή των κοινοτήτων. Η κατανομή των μικροευκαρυωτών επηρεάστηκε, επιπλέον, από τον λόγο αζώτου προς φώσφορο(N/P) και την αφθονία των ιών ενώ οι μικρότερου μεγέθους κοινότητες επηρεάστηκαν, ακόμη,από το ζωοπλαγκτόν. Τελικά, υπογραμμίζετε ότι, ακόμα και εντός συγκεκριμένων θαλάσσιων περιοχών, το πλαγκτόν μπορεί να ακολουθεί πρότυπα κατανομής που ελέγχονται σε μεγάλο βαθμό από περιβαλλοντικές μεταβλητές.Οι εισροές θρεπτικών στα θαλάσσια παράκτια οικοσυστήματα αυξάνονται ως συνέπεια της διεύρυνσης των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Αμέσως μετά τις αλλαγές που επέρχονται στη φυσικοχημεία της στήλης του νερού από την εισροή αποβλήτων, επηρεάζεται η πλαγκτονική κοινότητα. Στο δεύτερο μέρος της μελέτης αυτής, προσεγγίσαμε τη δομή και τη σύνθεση πλαγκτονικών ευκαρυωτικών κοινοτήτων που προέρχονται από παράκτιες περιοχές της Ανατολικής Μεσογείου. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν τρεις παράκτιες περιοχές του Βορείου Αιγαίου οι οποίες δέχονται υψηλές εισροές θρεπτικών από τα γειτονικά ποτάμια και την αγροτική δραστηριότητα και παρουσιάζουν διαχρονικά σχετικά υψηλές τιμές χλωροφύλλης.Συγκριτικά, μελετήθηκαν τρεις παράκτιες περιοχές νοτιότερα, οι οποίες δέχονται εισροές θρεπτικών μιας και γειτνιάζουν με κατοικημένες περιοχές, όμως οι συγκεντρώσεις θρεπτικών στη στήλη του νερού είναι χαμηλές και έτσι θεωρούνται λιγότερο επηρεασμένες από την εισροή θρεπτικών. Το φύλο Dinoflagellata επικράτησε ανεξάρτητα από την συγκέντρωση των θρεπτικών, ωστόσο φύλα όπως τα Bacillariophytaκαι τα Chlorophyta ήταν σημαντικότερα στις περισσότερο επηρεασμένες από θρεπτικά περιοχές. Οι ευκαρυωτικές κοινότητες των πιο επηρεασμένων περιοχών σχετίστηκαν με μεταβλητές όπως η συγκέντρωση χλωροφύλλης, του διαλελυμένου αζώτου και οξυγόνου και η αφθονία τροφής· έτσι η αλλαγμένη σύνθεση της κοινότητας των επηρεασμένων περιοχών συνδέθηκε με παράγοντες που υποδεικνύουν διαθεσιμότητα πόρων στη στήλη του νερού. Για την περαιτέρω μελέτη των οικολογικών σχέσεων που δημιουργούνται υπό διαφορετικές συνθήκες εμπλουτισμού θρεπτικών κατασκευάστηκαν δίκτυα συνύπαρξης των ευκαρυωτικών μικροοργανισμών. Το οικολογικό δίκτυο των περιοχών που δέχονται μεγαλύτερες εισροές από τη χέρσο εμφάνισε λιγότερες σχέσεις μεταξύ των ειδών, μικρότερη συνεκτικότητα και μεγαλύτερο ρόλο συγκεκριμένων μικροοργανισμών. Κατά την μελέτη του ευκαρυωτικού πλαγκτού των παράκτιων περιοχών, εντοπίστηκαν διαφορές τόσο στα οικολογικά πλέγματα όσο και στην ποικιλότητα και τη σύνθεση της πλαγκτονικής ευκαρυωτικής κοινότητας.Τελικά, διερευνήθηκαν οι επιπτώσεις της απότομης εισροής σημαντικής ποσότητας διαλελυμένου ανόργανου αζώτου (N) και φωσφόρου (P), σε μια προσπάθεια προσομοίωσης των διαταραχών που προκαλούνται από φαινόμενα όπως ο ευτροφισμός και η κλιματική αλλαγή.Μέσω προσθήκης διαφορετικής ποσότητας διαλελυμένου N και P δημιουργήθηκαν δύο διαφορετικά επίπεδα θρεπτικών σε ένα πείραμα μεσοκόσμων. Κατά τη διάρκεια των πλαγκτονικών ανθίσεων διαπιστώθηκαν αλλαγές στη σύνθεση των κοινοτήτων των βακτηρίων και των μικροβιακών ευκαρυωτών, μια εκ των οποίων υπήρξε η αύξηση ομάδων με ταχύτερες μεταβολικές δυνατότητες. Διαφορετικά μικροβιακά είδη συσχετίστηκαν με τα διαφορετικά επίπεδα θρεπτικών και μεταβολές στη σύνθεση των κοινοτήτων σημειώθηκαν από το ταξινομικό επίπεδο του φύλου μέχρι και το επίπεδο των OTU (Operational Taxonomic Unit). Η ανάλυση δικτύου αποκάλυψε σημαντικές διαφορές στις συνδέσεις μεταξύ μικροοργανισμών: περισσότερες ανταγωνιστικές σχέσεις δημιουργήθηκαν κατά την εντονότερη διαταραχή θρεπτικών, και, σχηματίστηκαν δίκτυα αντίστροφης πολυπλοκότητας γύρω από είδη διαφορετικής οικολογικής στρατηγικής. Με βάση αυτά τα αποτελέσματα επισημαίνεται ότι οι ξαφνικές διαταραχές στη χημεία της στήλης του νερού οδηγούν στην ανάπτυξη εντελώς διαφορετικών μικροβιακών τροφικών πλεγμάτων με ξεχωριστά οικολογικά χαρακτηριστικά.Συνολικά, η πλαγκτονική βιομάζα αποκρίθηκε ακόμη και σε μικρές αλλαγές στο επίπεδο των θρεπτικών ενώ για την αλλαγή της σύστασης της ευκαρυωτικής κοινότητας φαίνεται να απαιτούνται εντονότερες αλλαγές. Οι μετρήσιμες αλλαγές ενός συστήματος φαίνεται να συνδέονται με, και ίσως και να προκύπτουν από, τις οικολογικές σχέσεις μεταξύ των μικροοργανισμών. Τελικά, η μελέτη αυτή δίνει νέα προοπτική στην οικολογική προσέγγιση των πλαγκτονικών ευκαρυωτικών μικροοργανισμών σε σχέση με τα διαλελυμένα θρεπτικά της στήλης του νερού