Titelaufnahme

Titel
Diversity and ecology of ciliate communities in alpine lakes of contrasting transparency
VerfasserKammerlander, Barbara
GutachterSonntag, Bettina ; Sommaruga, Ruben
Erschienen2017
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2017
Anmerkung
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft
Datum der AbgabeJanuar 2017
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Hochgebirgsseen / UV Strahlung / Protisten / DNA Schädigung / Faselfadseen / Himalayaseen / Pyrosequenzierung / gletschertrübe Seen / Klimaerwärmung / NGS / Paramecium / Comet Assay / Einzelzell-Gelelektrophorese
Schlagwörter (EN)high mountain lakes / UVR / Protists / DNA damage / Faselfad lakes / Himalayan lakes / pyrosequencing / glacier-fed turbid lakes / glacier retreat / global warming / Paramecium / NGS / comet assay / single-cell gel electrophoresis
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Zusammenfassung (Deutsch)

Ciliaten sind ein wesentlicher Bestandteil des mikrobiellen Nahrungsnetzes in Seen, da sie überwiegend Bakterien und Algen fressen und selbst als Futter von höher entwickelten Organismen dienen. Trotz dieser bedeutsamen Rolle ist das Wissen über die Diversität und Ökologie von Ciliaten in Bergseen sehr gering, da viele Studien diese Einzeller ignorieren oder nur unzureichend behandeln. Gletscher und Bergseen prägen den alpinen Raum und durch die globale Klimaerwärmung unterliegen sie einem starken Wandel. Durch die zunehmende Gletscherschmelze entstehen viele neue und trübe Bergseen und im Lauf der Zeit können diese Seen ihre Verbindung zum Gletscher verlieren. In Folge entstehen klare Bergseen, die sehr durchlässig für die im Hochgebirge erhöhte ultraviolette (UV)-Strahlung sind. Die schädigende Wirkung kurzwelliger UV-Strahlung in klaren Bergseen als auch die hohe Partikeldichte in gletschertrüben Seen beeinflussen das Leben von Wasserorganismen stark. Ein Hauptziel dieser Arbeit war, das Wissen über Ciliatengemeinschaften in Bergseen zu erweitern und ihr Wechselspiel innerhalb des Nahrungsnetzes und mit Umweltparametern, wie zum Beispiel der UV-Strahlung, zu erforschen. Insgesamt wurden sieben Seen untersucht, fünf befinden sich im österreichischen Teil der Zentralalpen (900-2400 m. ü. N. N.) und zwei im Himalayagebiet zwischen 5100 und 5400 m ü. N. N., um folgende Fragestellungen zu erforschen: (1) stimmen molekulare (V4 Region der SSU rRNA) und morphologische Datensätze der Ciliatengemeinschaft eines subalpinen Sees überein? (2) gibt es Unterschiede bzw. Gemeinsamkeiten in der Protistengemeinschaft in Bergseen unterschiedlicher Transparenz (klar vs. trüb) und aus verschiedenen biogeographischen Regionen (Europäische Alpen und Himalaya)? (3) unterscheiden sich die Ciliatengemeinschaften klarer und trüber Bergseen in Hinblick auf Diversität und Häufigkeit und durch welche Faktoren werden sie beeinflusst? (4) welche Auswirkungen hat die UV-Strahlung auf Ciliaten von klaren und trüben Bergseen? Die Ergebnisse zeigen, dass die molekularen Daten auf Art- und Gattungsniveau die morphologischen Resultate nicht ausreichend widerspiegeln. Als mögliche Gründe sind vor allem die unzureichende taxonomische Auflösung der sequenzierten Genregion und die fehlenden Referenzsequenzen von Ciliaten in öffentlichen Datenbanken zu nennen. Daher ist derzeit eine Datenauswertung und ein Vergleich solcher Sequenzen nur auf Familienniveau zu empfehlen. Trotz dieser methodischen Unterschiede, zeigten die molekularen Ergebnisse eine enorme Vielfalt der Protistengemeinschaften in den Bergseen aus verschiedenen geographischen Regionen. Diese Gemeinschaften bestanden hauptsächlich aus Vertretern der Alveolata, Stramenopiles, Cryptophyta und Chloroplastida. Die festgestellten Unterschiede zwischen den untersuchten Bergseen lassen sich sehr wahrscheinlich durch biogeographische Einflüsse und vorliegende Umweltbedingungen erklären. Die Ciliatengemeinschaften sowohl im klaren als auch im trüben Bergsee bestanden überwiegend aus prostomatiden und haptoriden Ciliaten, jedoch wurden mehr Individuen und Arten im gletschertrüben Bergsee gefunden. Die unterschiedlichen Lichtverhältnisse (hohe UV-Transparenz vs. starke Trübung) wie auch die Präsenz von Räubern scheinen das Vorkommen der häufigsten Arten zu erklären. UV-Experimente haben gezeigt, dass eine durch UV-Strahlung verursachte DNA-Schädigung bei Ciliaten auch zu einem stark eingeschränkten Schwimmverhalten führen kann, jedoch konnten keine signifikanten Zellverluste beobachtet werden. Zusammenfassend zeigt diese Studie eine beeindruckende Protisten- und Ciliatendiversität in Bergseen. Ihr Vorkommen ist offensichtlich abhängig von den vorherrschenden Umweltbedingungen, jedoch ihre Fähigkeit, sich diesen Bedingungen anzupassen, ermöglicht ihnen, in diesen extremen Lebensräumen zu überleben.

Zusammenfassung (Englisch)

Knowledge on ciliate communities in mountain lakes is scarce, even from a morphological perspective, but especially at the molecular and the ecological level. Despite their fundamental role in the aquatic food web by transferring energy to higher trophic levels, most studies still ignore ciliates or only include certain in-depth data. The alpine region is strongly altered by the effects of climate change. For example, glacial retreats can lead to many newly-formed lakes. During the process of glacial retreat, certain particle-rich turbid lakes can lose their connectivity to melting glaciers. This process can turn these lakes into clear habitats which are highly transparent to ultraviolet radiation (UVR). Both stressors, i.e., a high load of glacially derived particles on the one hand, and exposure to incident UVR on the other, can strongly affect the life of water organisms. The main goal of my PhD study was to investigate in detail the ciliate communities of several mainly alpine lakes in respect to their diversity, ecology and response to the incident UVR. Seven study sites were included, i.e., five Austrian lakes situated between 900 and 2,400 m a.s.l. and two Himalayan lakes in Nepal (5,100-5,400 m a.s.l.). This thesis comprises morphogenetic, ecological and experimental approaches to assess: (1) the ciliate plankton community of a mountain lake by microscopy and next generation sequencing (the hypervariable eukaryotic V4 region of the SSU rRNA gene) in order to find out whether amplicon data coincide with the ciliate morphotype inventory, (2) molecular similarities/dissimilarities of the protistan plankton community among different lake types (clear vs. turbid) and biogeographic regions (European Alps and Himalayan mountains), (3) the abundance and diversity of the ciliate communities in two alpine lakes of contrasting transparency by taxonomical work and their interaction with abiotic (physicochemical and optical properties) and biotic components such as possible food resources and predators and, (4) the direct impact of UVR exposure on two Paramecium populations from alpine lakes of contrasting transparency by exposing them to simulated UVR and PAR conditions at two temperatures in the laboratory. The morphogenetic survey revealed that pyrosequencing data do not reflect the morphological data. A possible reason could be the deficient taxonomic resolution of the marker gene at the genus and species level. Additionally, it could also be the lack of ciliate sequences in reference databases. Until this discrepancy is clarified, genetic surveys of the protistan plankton community should be approached with caution and interpreted only at the family level. Nevertheless, the molecular and morphological analyses revealed that alpine lakes harbor highly diverse protistan plankton communities represented mainly by the Alveolata, Stramenopiles, Cryptophyta and Chloroplastida. Differences of the protistan plankton communities were identified among the different geographic sites and lake types. These differences can be attributed to biogeographical aspects and prevailing environmental conditions. The morphological study showed that the abundant ciliate groups were the Prostomatida and Haptorida in both lake types (clear and turbid lake) but the number of ciliate species and abundance was higher in the glacier-fed turbid lake. The incident UVR and PAR and the presence of predatory zooplankton were identified as the main drivers for the ciliates distribution pattern. Finally, UVR experiments demonstrated erratic swimming behavior and a high level of DNA damage in two Paramecium populations. However, their survival was not affected. In conclusion, this thesis highlights an unexpected diversity of protists and particularly, ciliates in alpine lakes. Their appearance is obviously coupled with prevailing environmental conditions in such lakes but the evolution of adaptive strategies and specific traits allow them to thrive in such extreme environments.