Memoria de tesis doctoral presentada por Adrià Auladell Martín para obtener el título de Doctor en Microbiologia por la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), realizada bajo la dirección del Dr. Josep M Gasol del Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC) y de la Dra. Isabel Ferrera Ceada del Centro Oceanográfico de Málaga, Instituto Español de Oceanografía (IEO-CSIC).-- 265 pages, figures, tables.-- The code to produce all the analysis and visualizations for each chapter are available here:
Chapter I. https://github.com/adriaaulaICM/bbmo_niche_sea
Chapter II. https://gitlab.com/aauladell/AAP_time_series
Chapter III. https://figshare.com/s/51e6d1fc462950b1f582
Chapter IV. https://figshare.com/s/65d241e03c6393446e43
The data for Chapter I and II are found in the same repositories, with the location indicated in the repository manual.
The data for Chapter III and IV are still unpublished. Both chapters present the summary information (abundance tables, taxonomy, basic environmental data…) but the raw data is still unavailable, [EN] The oceans are ecosystems dominated by microbes, in which bacteria and archaea play key roles in biogeochemical cycling. In temperate oceans, seasonal changes in environmental conditions deeply influence the marine microbiome. In this thesis I analyse the seasonality of the marine microbiome of a coastal ocean site, using the long-term time series of the Blanes Bay Microbial Observatory (BBMO) to understand the seasonal changes through several molecular approaches. Using amplicons of the 16S rRNA gene, I evaluate the dynamics of the main bacterial groups in this coastal oligotrophic station during 11 years and test how similar the temporal niches of closely related taxa are, and what are the environmental parameters modulating their patterns of seasonality. I further explore how conserved the niche is at higher taxonomic levels. The community presented recurrent seasonality for 297 out of 6825 amplicon sequence variants (ASVs), which constituted almost half of the total relative abundance (47%). For certain genera, niche similarity decreased as nucleotide divergence in the 16S rRNA gene increased, a pattern compatible with the selection of similar taxa through environmental filtering. Additionally, I observed evidence of seasonal differentiation within various genera as seen by the distinct seasonal patterns of closely related taxa. I then switch the focus to the seasonal patterns of a specific functional group. Using the pufM gene as a marker gene for the aerobic anoxygenic phototrophic bacteria (AAPs) −a relevant photohete-rotrophic functional group in the marine microbial food web− I evaluated their long-term temporal dynamics through multivariate and co-occurrence analyses. Phylogroup K (Gammaproteobacteria) was the greatest contributor to community structure over all seasons, with phylogroups E and G (Alphaproteobacteria) being prevalent in spring. Diversity indices showed a clear seasonal trend, with maximum values in winter, which was inverse to that of AAP abundance. I afterwards extend these analyses to 21 biogeochemical relevant functions through 7 years of metagenomic data from the BBMO. Most genes presented a seasonal abundance trend: photoheterotrophic processes were enriched during spring, phosphorous-related genes were dominant during summer coinciding with phosphate limitation conditions, and assimilatory nitrate reductases correlated negatively with nitrate availability. Additionally, I identified the main taxa driving each function in each season and showed that, for some groups, the seasonality of bacterial families is different than that of their gene repertoire, so that different taxa within the same group present different functional specialization. Finally, I complement this descriptive view of the temporal changes with manipulation experiments to test how bottom-up and top-down processes exert selection on specific bacterial genomic species over the seasons. I experimentally modified the presence of predators, viruses, nutrient limitation (by diluting the samples with filtered seawater) and light availability in seawater from the BBMO in different seasons and assessed the growth of different organisms defined by metagenome assembled genomes (MAGs) under the manipulated conditions. Overall, I recovered 262 MAGs mainly from the Rhodobacterales, Flavobacteriales and Alteromonadales classes. Season and treatment greatly influenced community composition, with 26% of the MAGs indicative of the control treatments, 24% of both the control and predator-reduced treatments, 12.8% indicators of both the virus-reduced and the diluted treatments, and 7.3% of the predator-reduced treatment only. Flavobacteriaceae MAGs developed mostly in the predator-reduced treatment with distinct species in each season, whereas Alteromonadaceae and Sphingomonadaceae taxa developed preferably in the virus-reduced and diluted treatments indistinctively of season. Overall, this dissertation provides new insights into the seasonal patterns of key taxonomic and functional groups in the coastal surface ocean through the integration of information obtained using several molecular techniques and experimental approaches applied to a long-term time series, [CAT] Els oceans són ecosistemes dominats per microbis i els bacteris i els arqueus hi juguen papers clau en els cicles biogeoquímics. En oceans temperats, els canvis estacionals determinen la composició del microbioma a través de les adaptacions al nínxol de les diferents espècies. En aquesta tesi analitzo l’estacionalitat del microbioma marí usant una sèrie temporal de llarga durada obtinguda a l’Observatori Microbià de la Badia de Blanes, per entendre els canvis estacionals mitjançant diverses aproximacions moleculars. A partir de seqüències d’amplicons del gen de l’RNA ribosòmic (16S) avaluo la dinàmica estacional dels principals grups bacterians durant onze anys, examinant com de similars són els nínxols temporals de taxons estretament relacionats, i quins són els paràmetres que modulen els seus patrons d’estacionalitat. També he explorat com de conservat és aquest nínxol en els nivells taxonòmics més alts. La comunitat presenta patrons estacionals de recurrència en 297 de les 6725 variants d’amplicons que hi apareixen, la qual cosa suposa gairebé la meitat de l’abundància relativa total (47%) de seqüències. Per a determinats gèneres, la similitud de nínxol disminueix amb l’increment de divergència en nucleòtids del gen del RNAr 16S, un patró compatible amb selecció de taxons similars per mitjà del filtratge ambiental. També he observat diferents patrons estacionals entre taxons del mateix gènere. A continuació vaig centrar l’anàlisi en els patrons estacionals d’un grup funcional concret. Utilitzant el gen pufM com a marcador dels bacteris aeròbics anoxigènics fotoheterotròfics −un grup funcional rellevant a la xarxa tròfica marina− avaluo la seva dinàmica temporal a través d’anàlisis multivariants i de co-ocurrència. El filogrup K (Gammaproteobacteria) és el grup dominant a l’estructura de la comunitat durant totes les estacions de l’any, amb els filogrups E i G (Alphaproteobacteria) dominants durant la primavera. Els índexs de diversitat presenten un patró estacional clar, amb els valors màxims durant l’hivern i presentant una relació inversa amb l’abundància. Després vaig ampliar aquest anàlisi a 21 funcions biogeoquímiques fent ús de set anys de dades metagenòmiques de l’observatori de Blanes. La majoria dels gens presenten un patró estacional d’abundància: els processos fotoheterotròfics enriquits durant la primavera, els gens relacionat amb l’adquisició de fòsfor dominants durant l’estiu coincidint amb una major limitació de fòsfor, i els enzims de reducció assimilatòria de nitrat correlacionant negativament amb la disponibilitat de nitrat. També he identificat els taxons principals que contenen cada gen funcional i he demostrat que, per alguns grups, l’estacionalitat a nivell de família és diferent de la del seu repertori gènic, indicant que els taxons dins del mateix grup presenten especialització funcional. Finalment, complemento la visió descriptiva dels canvis temporals amb experiments de manipulació per avaluar com els processos bottom-up i top-down influencien la selecció d’organismes durant les diferents estacions. He modificat experimentalment la presència de depredadors, de virus, la limitació per nutrients (diluint les mostres amb aigua sense microorganismes) i la llum en mostres de la Badia de Blanes en diferents estacions i he avaluat el creixement de diferents organismes definits a partir de genomes construïts a partir de metagenomes (MAGs, de les sigles en anglès). He recuperat 262 MAGs, principalment de les classes Rhodobacterales, Flavobacteriales i Alteromonadales. L’estació de l’any i el tractament influeixen la composició de la comunitat, amb el 26% dels MAGs identificats com a indicadors dels tractaments control, el 24% indicant tant el tractament control com el de reducció de depredadors, el 12.8% indicant tant el tractament de reducció de virus com el tractament diluït, i el 7.3% indicant el tractament de reducció de depredadors. Els MAGs afiliats a Flavobacteriaceae creixien majoritàriament al tractament amb reducció de depredadors, amb diferents espècies a cada estació, mentre que les especies afiliades a Alteromonadaceae i Sphingomonadaceae creixien preferentment als tractaments de reducció vírica i al tractament diluït indistintament de l’estació. En termes generals, aquesta tesi presenta resultats nous sobre els patrons estacionals de grups taxonòmics i funcionals rellevants a l’oceà costaner superficial per mitjà de la integració d’informació obtinguda usant diverses tècniques moleculars i diverses aproximacions experimentals aplicades a una sèrie temporal de llarga durada, During the realization of this thesis, Adrià Auladell Martín held a PhD Fellowship FPI (BES-2016-077820), funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation and was a student of UAB’s PhD program in Microbiology. This thesis was also supported by the REMEI (CTM2015-70340-R), ECLIPSE (PID2019-110128RB-I00), and MIAU (RTI2018-101025-B-I00) projects, Peer reviewed

Memoria de tesis doctoral presentada por Ona Deulofeu Capo para obtener el título de Doctora en Microbiologia por la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), realizada bajo la dirección del Dr. Josep M Gasol y la Dra. Marta Sebastián Caumel del Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC) y la Dra. Olga Sánchez Martínez de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB).-- 363 pages, [EN] Marine prokaryotes are fundamental to all biological and ecological processes in the ocean and are key drivers of global biogeochemical cycles. Prokaryotic communities comprise thousands of diverse taxa that undergo continuous successions across temporal and spatial gradients shaped by environmental variability. Occasionally, a single taxon may dominate the community —a phenomenon referred to as a "bloom"— potentially playing a disproportionate role in maintaining essential ecosystem functions. Despite their ecological significance, many aspects of the ecology of blooming taxa remain poorly understood, including their recurrence, specific triggering factors, and taxonomic diversity.
This thesis aims to enhance our understanding of blooming bacterial taxa. To this end, we first used insights derived from the Blanes Bay Microbial Observatory (BBMO), a coastal long-term monthly metabarcoding time series in the NW Mediterranean Sea. Our analysis identified a limited number of taxa capable of exhibiting bloom-like behavior (ca. 1% of the total diversity), which belonged predominantly to the Flavobacteriales and Pseudomonadales, known copiotrophic orders. Despite the monthly sampling interval, we observed blooms at an average frequency of 4.6±1.9 times per year, considering both the 0.2–3 μm and 3–20 μm size fractions. No consistent association was found between environmental changes and the occurrence of blooms, but a marked increase in blooming events was observed during the period when the harbor near the BBMO site was restored—particularly within the 3–20 μm bacterioplankton size fraction (Chapter I). The absence of a strong link between environmental variability and blooming events may be due to the relatively sparse monthly sampling resolution. To overcome this limitation, we conducted a short twice-daily frequency sampling at the BBMO, which revealed that bloom events are frequent, transient and typically lasting only 24–48 hours (Chapter II). These findings challenge conventional assumptions, given that marine prokaryotes are generally thought to exhibit low in situ growth rates of around 1 d-1., Furthermore, these ephemeral blooms were sometimes associated with marked increases in heterotrophic activity, indicating that they can significantly alter community function. The rapid emergence of bloomers within such short time frames, and the unclear link with environmental parameters, drove us to test experimentally some of the insights observed in the first two chapters, in the following ones. We assessed the growth potential (i.e. the maximal growth rates in the absence of limiting factors) of individual taxa using manipulation experiments in which known growth-limiting factors—such as predation, nutrient limitation, and viral lysis— were reduced. These experiments revealed a wide spectrum of growth rates, ranging from 0.1 to 10 d-1, indicating that certain taxa can indeed transition from rare to dominant in just 24–48 hours (Chapter III). Furthermore, using another set of manipulation experiments (Chapter IV), we tested whether different carbon sources selected for different bacteria with the potential to bloom, and we found that the same taxa (e.g., Alteromonas and Rhodobacteraceae) responded consistently to the different additions, yet their success in dominating the community depended on the carbon source. Additionally, priority effects—where taxa that are relatively abundant at the beginning could have a competitive advantage over rarer ones—also influenced the response.
Overall, this thesis contributes to the understanding of marine bacterial bloomers by elucidating their taxonomic composition, temporal trends, growth dynamics, and potential functional roles. Our findings suggest that these taxa may contribute significantly to ecosystem resilience by rapidly responding to both anthropogenic and natural environmental perturbations, [ES] Los procariotas marinos son esenciales para la mayoría de los procesos biológicos y ecológicos del océano, desempeñando un papel clave en los ciclos biogeoquímicos globales. Las comunidades de procariotas están compuestas por miles de taxones que experimentan una sucesión continua tanto a escalas temporales como a lo largo de gradientes espaciales definidos por la variación en las condiciones ambientales. En ocasiones, un único taxón puede dominar la comunidad, fenómeno al que denominamos proliferación o bloom. Se cree que durante estos crecimientos explosivos, estos taxones pueden tener un papel relevante en el mantenimiento de las funciones ecosistémicas esenciales. A pesar de su importancia ecológica, diversos aspectos como su recurrencia, los factores desencadenantes o su diversidad taxonómica siguen siendo poco comprendidos.
En esta tesis profundizamos en el conocimiento sobre las bacterias de crecimiento explosivo. Para ello, se utilizaron datos de la serie temporal del Observatorio Microbiano de la Bahía de Blanes (BBMO), una serie temporal mensual de larga duración situada en la costa del mar Mediterráneo noroccidental. Nuestros análisis permitieron identificar un número limitado de taxones que proliferaron (alrededor del 1% de la diversidad total), per tenecientes principalmente a los órdenes Flavobacteriales y Pseudomonadales, conocidos por incluir organismos copiótrofos. A pesar de la resolución temporal mensual, detectamos estas proliferaciones con una frecuencia media de 4,6 ± 1,9 veces al año (considerando ambas fracciones: 0,2–3 μm y 3–20 μm). Aunque no se encontraron asociaciones significativas entre las variables ambientales y la ocurrencia de estos eventos, sí se detectó un aumento de éstos durante las obras del puerto de Blanes, cercano al punto de muestreo, principalmente en la fracción 3–20 μm (Capítulo I)., La ausencia de relación entre la variabilidad ambiental y las proliferaciones bacterianas podría deberse a la baja frecuencia de muestreo. Por ello, se llevó a cabo un muestreo intensivo de corta duración (dos veces al día) en el mismo punto de muestreo, lo que permitió observar que estas proliferaciones son frecuentes, transitorias y de corta duración (24–48 horas; Capítulo II). Estos hallazgos cuestionan suposiciones previas como que las bacterias marinas crecen típicamente a tasas de 1 d-1. Además, estas proliferaciones efímeras se asociaron a aumentos de actividad heterotrófica, indicando alteraciones significativas en las funciones ecosistémicas de la comunidad. La rápida aparición de estas bacterias, junto con su escasa asociación con los parámetros ambientales medidos, motivó la realización de experimentos para testar las observaciones en comunidades naturales.
En el siguiente capítulo se estimaron las tasas de crecimiento de taxones individuales mediante experimentos de manipulación reduciendo distintos factores limitantes de crecimiento: la depredación, la limitación por nutrientes y la lisis viral. Estos experimentos revelaron un amplio rango de tasas de crecimiento, entre 0,1 y 10 d-1, lo que indica que la transición de estos taxones desde raros hasta dominantes en tan solo 24–48 horas es posible (Capítulo III). Además, mediante una serie adicional de experimentos se evaluó si diferentes fuentes de carbono seleccionaban distintos taxones. Los mismos grupos (p. ej., Alteromonas y Rhodobacteraceae) respondían a diversas adiciones, aunque su éxito a la hora de dominar la comunidad dependía del tipo de fuente de carbono. Asimismo, los efectos de prioridad (quien empieza a crecer antes o está bien establecido acaba dominando) también influyeron en la respuesta (Capítulo IV).
En conjunto, esta tesis contribuye a una mejor comprensión de las bacterias marinas con capacidad de crecer de manera explosiva, mediante el análisis de su taxonomía, dinámicas temporales y de crecimiento, o sus potenciales roles funcionales. Nuestros resultados sugieren que estos taxones pueden desempeñar un papel importante en la resiliencia del ecosistema, respondiendo rápidamente a perturbaciones tanto de origen antropogénico como natural, [CAT] Els procariotes marins són essencials per a la majoria dels processos biològics i ecològics de l’oceà i tenen un paper clau en els cicles biogeoquímics globals. Les comunitats procariòtiques estan formades per milers de taxons diversos en successió contínua al llarg de gradients tant temporals com espacials, modelats per la variabilitat ambiental. En aquest context, de vegades un tàxon concret pot arribar a dominar la comunitat —un fenomen conegut com a bloom o proliferació—, que potencialment juga un paper desproporcionat en el manteniment de funcions ecosistèmiques essencials durant aquestes proliferacions. Malgrat la seva importància ecològica, molts aspectes de l’ecologia dels taxons protagonistes d’aquestes proliferacions continuen sent poc coneguts, com ara la seva recurrència, factors desencadenants específics i la diversitat taxonòmica.
En aquesta tesi contribuïm al coneixement sobre els bacteris que protagonitzen aquestes proliferacions duent a terme creixements explosius. Amb aquesta finalitat hem utilitzat dades de l’Observatori Microbià de la Badia de Blanes (BBMO), una sèrie temporal mensual i de llarga durada, situada a la costa del mar Mediterrani nord-occidental. Les nostres anàlisis han permès identificar un nombre limitat de taxons amb capacitat per créixer de manera explosiva (aproximadament l’1% de la diversitat total), majoritàriament dels ordres Flavobacteriales i Pseudomonadales, grups coneguts per incloure organismes copiòtrofs. Tot i la resolució mensual, vam detectar aquestes proliferacions amb una freqüència mitjana de 4,6 ± 1,9 vegades a l’any (considerant les fraccions 0,2–3 μm i 3–20 μm). Malgrat que no vam trobar associacions significatives amb les variables ambientals, sí vam trobar un augment de proliferacions bacterianes específiques durant les obres del port de Blanes, proper al punt de mostreig, especialment en la comunitat de la fracció 3–20 μm (Capítol I)., L’absència d’un vincle fort entre variabilitat ambiental i aquestes proliferacions podria deure’s a la baixa freqüència de mostreig. Per això vam realitzar un mostreig intensiu (dues vegades al dia) al mateix punt (BBMO), que va revelar que aquestes proliferacions són freqüents, efímeres (24–48 h) i presents sobretot a la fracció 3–20 μm (Capítol II). Aquests resultats qüestionen assumpcions prèvies com ara que els bacteris marins creixen a una taxa d’1 d-1. A més, aquestes proliferacions efímeres van anar acompanyades d’un augment marcat de l’activitat heterotròfica, indicant una alteració funcional de la comunitat. La seva ràpida aparició i la poca relació amb els paràmetres ambientals van motivar la realització d’experiments per testar aquestes observacions.
En el següent capítol vam estimar les taxes de creixement de taxons individuals mitjançant experiments on es van reduir factors limitants com la depredació, la manca de nutrients i la lisi viral. Les taxes obtingudes van ser molt variables, entre 0,1 i 10 d-1, confirmant que la transició d’ésser rar a dominant en 24–48 h és factible (Capítol III). A més, mitjançant altres experiments (Capítol IV) vam avaluar si fonts de carboni diferents seleccionaven diferents bacteris, i vam trobar que els mateixos taxons (p. ex. Alteromonas, Rhodobacteraceae) responien a addicions diferents, però el seu èxit a l’hora de dominar la comunitat depenia de la font de carboni. També els “efectes de prioritat” (qui comença a créixer abans o ja està ben establert, acaba dominant) han tingut un efecte en la resposta.
En conjunt, aquesta tesi contribueix a una millor comprensió dels bacteris marins amb la capacitat de dur a terme creixements explosius, identificant la seva composició, les dinàmiques temporals i de creixement així com els seus possibles rols funcionals. Els nostres resultats suggereixen que aquests taxons poden contribuir significativament a la resiliència de l’ecosistema, responent ràpidament a pertorbacions tant naturals com antropogèniques, During the realization of this thesis, Ona Deulofeu Capo held a PhD fellowship FPI (PRE2019-090554) associated to the MIAU (RTI2018-101025-B-100) project, funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation. and was a student of the Microbiology PhD program from the Universitat Autònoma de Barcelona. The thesis was also supported by projects REMEI (CTM2015-70340-R) and MICOLOR (PID2021-125469NB-C31, PID2021-125469NBC32) and the “Severo Ochoa Centre of Excellence” accreditation (CEX2019-000928-S), Peer reviewed