Diversity, ecology and evolution of marine diazotrophic microorganisms
Authors:   , Cornejo Castillo Francisco Miquel 
Published: July 2023

Biological N2 fixation, the reduction of dinitrogen (N2) gas to biologically available nitrogen, is a fundamental process since it represents a source of new nitrogen for marine life in areas where this important element can be limiting, supporting primary productivity and thus biological carbon export to the deep ocean. This process is performed by the nitrogen-fixing prokaryotic microorganisms (the so-called diazotrophs). However, very little is still known about the identity and ecology of diazotrophs, which largely limits our capacity to understand the global significance of this process, and to predict potential variations in nitrogen fixation upon changes in environmental conditions. In this thesis, we aimed at improving the knowledge on the diversity, ecology and evolution of the marine nitrogen-fixing microorganisms in the open ocean.
Most current knowledge on diazotrophic diversity has been obtained using the nifH marker gene, which encodes for a structural protein of the enzymatic complex that performs the N2 fixation reaction. Thus, in Chapter 1 we first conducted a global exploration of the nifH gene extracted from metagenomic data derived from 68 globally distributed stations collected during the Tara Oceans expedition. This approach differs from previous studies in that it does not rely on primers to detect the nifH genes, and thus allows a more quantitative estimation of the contribution of these microorganisms and a more realistic view of their diversity. This study provides a first `primer-free¿ global map of the distribution of open ocean diazotrophic communities across ocean basins and throughout the water column, showing that diazotrophs often occurred at very low abundances, and that in general they were significantly more abundant in the mesopelagic than in photic waters. Likewise, we uncovered novel diversity that had remained unnoticed in all previous primer-based studies, since we demonstrate that more than half of the detected nifH variants cannot be captured by the primers used. This suggests that most diazotroph diversity studies may be disregarding an important fraction of the nitrogen-fixing community members.
Among the diazotrophs detected in Chapter 1, the most abundant was the unicellular cyanobacterium C. Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A), which lives in symbiosis with a prymnesiophyte alga and has been shown to be a relevant player in nitrogen fixation. Thus, in Chapter 2 and Chapter 3, we explored aspects related to the ecology, diversity and evolution of this remarkable microorganism. We detected UCYN-A in the South Atlantic Ocean using not only metagenomic approaches but also microscopic visualization techniques (CARD-FISH). This allowed us to unveil that different UCYN-A lineages, UCYN-A1 and UCYN-A2, live in symbiosis with two distinct prymnesiophyte partners of different sizes. Both UCYN-A lineages showed a streamlined genome expression towards nitrogen fixation. We estimated that these two lineages diverged almost 100 Mya under a strong purifying selection process. Finally, in Chapter 3 we focused on the study of UCYN-A3, another lineage of which very little was known, to gain insight into its ecology. Using an array of methods (PCR, qPCR, CARD-FISH and metagenomes) we could visualize and identify for the first time UCYN-A3 and its association with an alga of different size, which suggests that different UCYN-A lineages occupy different planktonic compartments that are not always considered when nitrogen fixation of nifH diversity are studied. Finally, we manage to reconstruct a significant fraction of its genome, establishing that this lineage constitutes a new UCYN-A genomic species.
Overall, this thesis has significantly contributed to expand the knowledge on marine diazotrophic organisms, unveiling new diversity and new planktonic compartments that could potentially lead to a better understanding of the marine nitrogen cycle.
La fijación biológica de nitrógeno, es decir, la reducción del nitrógeno (N2) a amonio, es un proceso fundamental ya que representa una fuente de nitrógeno para la vida marina en áreas donde este elemento es limitante, posibilitando la producción primaria y por tanto la exportación de carbono al océano profundo. Este proceso se lleva a cabo por microorganismos procariotas, los llamados diazotrofos. Sin embargo, aún sabemos muy poco sobre la identidad y la ecología de estos microorganismos, lo que limita enormemente nuestra comprensión de la importancia global de este proceso, y nuestra capacidad de predecir cambios en la fijación de N2 ligados a cambios en el ambiente. El objetivo de esta tesis, por tanto, fue ahondar en el conocimiento de la diversidad, ecología y evolución de los microorganismos diazotrofos en el océano. La mayoría del conocimiento actual sobre la diversidad de diazotrofos se deriva del gen marcador nifH, que codifica una proteína estructural del complejo enzimático responsable de la fijación de nitrógeno. Por tanto, en el Capítulo 1 realizamos una exploración global del gen nifH usando datos metagenómicos de 68 estaciones muestreadas durante la campaña oceanográfica Tara Oceans. Nuestra aproximación se diferencia de los estudios anteriores ya que no se basa en el uso de cebadores para detectar el nifH y posibilita por tanto una cuantificación más precisa de la diversidad real. Este estudio representa el primer mapa global (no basado en cebadores) de la distribución de diazotrofos en el océano desde superficie hasta el mesopelágico. Aunque la abundancia de diazotrofos fue muy baja en general, era significativamente mayor en el océano profundo. Asimismo, descubrimos nuevos diazotrofos que habían pasado desapercibidos en los estudios basados en cebadores: más de la mitad de los diazotrofos detectados no se capturan por los cebadores para el nifH. Esto sugiere que la mayoría de estudios previos pueden haber obviado una fracción importante de las comunidades de fijadores de nitrógeno. Entre los diazotrofos detectados en el Capítulo 1, el más abundante fue la cianobacteria unicelular C. Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A), que vive en simbiosis con un alga primnesiofita y que juega un papel importante en la fijación de nitrógeno. En los capítulos 2 y 3 nos dedicamos a estudiar en detalle los aspectos relacionados con la ecología, diversidad y evolución de este diazotrofo. Mediante el análisis de metagenomas y de técnicas de visualización microscópicas como el CARD-FISH pudimos detectar UCYN-A en el atlántico sur, revelando que UCYN-A1 y UCYN-A2, dos linajes diferentes de UCYN-A, viven en simbiosis con dos hospedadores diferentes, dos primnesiofitas de tamaños distintos. Además, el análisis del perfil de expresión del genoma de ambos linajes mostró una dedicación optimizada a la fijación de nitrógeno. La edad de divergencia de UCYN-A se estimó en unos 100 millones de años, y presumiblemente ocurrió bajo presiones evolutivas de tipo estabilizadora. Por último, en el Capítulo 3, nos centramos en el estudio de UCYN-A3, otro linaje del que se sabe muy poco. Mediante el uso de varios métodos (PCR, qPCR, CARD-FISH y metagenomas) se logró visualizar e identificar por primera vez el linaje UCYN-A3 asociado con una alga de tamaño diferente, lo que sugiere que los distintos linajes de UCYN-A ocupan diferentes compartimentos planctónicos que no siempre se consideran en estudios de diversidad de nifH o de fijación de nitrógeno. Finalmente, pudimos reconstruir una fracción importante del genoma de UCYN-A3, estableciendo que representa una especie genómica diferente a las anteriores. En definitiva, esta tesis ha contribuido significativamente al conocimiento de los diazotrofos en el océano mediante el descubrimiento de nueva diversidad como de nuevos compartimentos del plancton donde puede darse la fijación de nitrógeno y que podrían ayudar a entender mejor el ciclo marino del nitrógeno.