The diversity of dinoflagellates belonging to the gymnodiniales from the catalan coast (NW Mediterranean Sea)
Authors:   , Reñé Vicente Albert 
Published: August 2023

Dinoflagellates are one of the most abundant and diverse groups of microalgae. Many dinoflagellates are covered with cellulose plates, whereas others lack these plates and are hence referred to as athecate or unarmoured. Unarmoured species have been historically poorly characterized because they deform when fixed with traditional methods. Most unarmoured genera are included within the order Gymnodiniales and are differentiated by morphological characters, but the recent combination of morphological observations with phylogenetic data concludes that molecular phylogenies do not support the "classical" morphological criteria used to distinguish the genera. It is also known that the order Gymnodiniales is not monophyletic. Consequently, the taxonomy of dinoflagellates has shifted to a combination of morphology and molecular
information. The widespread use of molecular techniques has enabled detailed studies on the systematics of a lot of groups.
Although many dinoflagellates are not easily cultivable and cannot be sequenced by standard techniques, the single-cell PCR technique has allowed obtaining sequences from a single cell by taking advantage of the large copy number of the ribosomal genes.
Extensive identifications of dinoflagellates present in the NW Mediterranean Sea were carried out between the 1960s and 1980s. However, the diversity of unarmoured dinoflagellates was not suitably characterized because of the use of fixed samples and the lack of molecular tools. This thesis studies the diversity of dinoflagellates belonging to the Gymnodiniales order from the Catalan coast, as a representative site of the NW Mediterranean Sea. This thesis presents a revision of their taxonomy by combining morphological studies of live specimens with the respective phylogenetic information. Given that the phylogeny of most of the studied organisms had not been previously determined and the evidence that Gymnodiniales is not monophyletic, a secondary objective was to study the phylogenetic relationships of species. The D1-D2 region of the LSU
rDNA sequence was selected to conduct the SC-PCR, but SSU rDNA sequences were obtained when necessary.
The combination of morphological and molecular data has led to the identification of 58 unarmoured species belonging to the order Gymnodiniales. Ten morphospecies are detected for the first time in the Mediterranean Sea, and eight, for the first time along the Catalan coast (Chapter 1 and 2). Additionally, the application of single-cell PCR has resulted in the sequencing of 43 unarmoured species, 25 of them for the first time (Chapters 1 and 2). It has also allowed the detection and characterization of species previously undescribed, resulting in the erection of two new species: Gymnodinium litoralis (Chapter 3) and Polykrikos tanit (Chapter 4). Additionally, the toxic species Cochlodinium polykrikoides was detected for the
first time along the Catalan coast. Most populations formed a newly differentiated ribotype, but others were included within a previously known one, demonstrating their coexistence in the Mediterranean Sea (Chapter 5). Finally, a Ceratoperidinium specimen was sequenced for the first time and a new phylogenetic clade was obtained, along with other unarmoured dinoflagellates, including Ceratoperidinium margalefii, Gyrodinium falcatum, which was transferred to the genus Ceratoperidinium, three Cochlodinium species, and two Gymnodinium-like organisms. This resulted in the emendation of the Ceratoperidiniaceae family and the genus Ceratoperidinum (Chapter 6). The correct identification of the species has allowed to conclude that there is a high diversity of unarmoured dinoflagellates in the Catalan coast, and to discuss the implications on the distribution and biogeography of the species at a Mediterranean level, as C. polykrikoides (Chapter 5), or globally, as for Gyrodinium spirale (Chapter 2)
Les dinoflagel•lades són un dels grups més abundants i diversos de microalgues. Moltes espècies estan cobertes amb plaques de cel•lulosa, mentre que d’altres que no en tenen són conegudes com a atecades o nues. Les espècies atecades han estat generalment mal caracteritzades ja que es deformen quan són fixades amb mètodes tradicionals. La majoria de gèneres atecats s'inclouen dins l’ordre Gymnodinials i es distingeixen per caràcters morfològics, però la combinació recent d'observacions morfològiques amb dades filogenètiques conclou que les filogènies moleculars no suporten els criteris morfològics clàssics utilitzats per distingir els gèneres. També es coneix que l’ordre Gymnodinials no és monofilètic. Per
tant, la correcta taxonomia de dinoflagel•lades requereix una combinació d’informació morfològica i molecular. L'ús generalitzat de tècniques moleculars ha permès estudis detallats sobre la sistemàtica de molts grups. Tot i que moltes dinoflagel•lades no són fàcilment cultivables i no es poden seqüenciar mitjançant tècniques estàndards, la tècnica de single-cell PCR ha permès obtenir seqüències a partir d'una sola cèl•lula, aprofitant el gran nombre de còpies dels gens ribosòmics que les dinoflagel•lades contenen.
Entre els anys 1960 i 1980 es van dur a terme identificacions extensives de les dinoflagel•lades existents al litoral català. Tanmateix, no es va caracteritzar adequadament la diversitat de dinoflagel•lades atecades degut a l’ús de mostres fixades i la manca d'eines moleculars. Aquesta memòria presenta l'estudi de la diversitat d'espècies de l’ordre Gymnodinials a la costa catalana com a representativa del NO del Mar Mediterrani, entre els anys 2010-2013. L'estudi presenta una revisió de la seva taxonomia pel que s'han combinant estudis morfològics d’exemplars vius amb la corresponent informació filogenètica. Atès que la filogènia d’alguns dels organismes estudiats no s'havia determinat amb anterioritat i l'evidència que
l’ordre Gymnodinials no és monofilètic, el segon objectiu ha estat estudiar les relacions filogenètiques de les espècies. Es va seleccionar la regió D1-D2 del 28s rDNA per dur a terme els anàlisis amb SC-PCR, però també es van obtenir seqüències del 18s rDNA quan ha estat necessari.
La combinació de les dades morfològiques i moleculars ha permès la identificació inequívoca de 58 espècies atecades pertanyents a l’ordre Gymnodinials. D’aquestes, es detecten deu morfoespècies per primera vegada a la mar Mediterrània, i vuit per primera vegada al litoral català (Capítols 1 i 2). A més, l'aplicació de la SC-PCR ha permès seqüenciar 43 espècies atecades, 25 de les quals per primera vegada (Capítols 1 i 2). També ha permès la detecció i caracterització d’espècies no descrites prèviament, que ha resultat en la descripció de les noves espècies Gymnodinium litoralis (Capítol 3) i Polykrikos tanit (Capítol 4). A més, es va detectar per primera vegada l'espècie tòxica Cochlodinium polykrikoides al litoral català. La majoria d’aquests organismes pertanyien a un nou ribotip, però d’altres quedaren inclosos en un ribotip ja conegut,
demostrant la seva coexistència al Mar Mediterrani (Capítol 5). Finalment, es va seqüenciar per primera vegada un espècimen del gènere Ceratoperidinium i es va obtenir un nou grup filogenètic, juntament amb d’altres dinoflagel•lades atecades, incloent Ceratoperidinium margalefii, Gyrodinium falcatum, que va ser transferit al gènere Ceratoperidinium, tres espècies de Cochlodinium, i dos organismes semblants a Gymnodinium. Això va donar lloc a l'esmena de la família Ceratoperidiniaceae i del gènere Ceratoperidinum (Capítol 6). La correcta identificació de les espècies ha permès concloure que la costa catalana presenta una gran diversitat de dinoflagel•lades atecades, i discutir les implicacions en la distribució i biogeografia de les espècies a nivell de la Mediterrània, com el cas de C. polykrikoides (Capítol 5), o global, com el cas de Gyrodinium spirale (Capítol 2)