Sponges and cyanobacteria symbiotic relationships in the North Aegean Sea

Abstract

Cyanobacteria are among the most dominant and important sponge symbionts, and their association with sponges has attracted research interest from an ecological, evolutionary, and biotechnological perspective. Our current knowledge for their diversity, ecology and functioning is limited to few uncultivated taxa, while a great part is “hidden” in metagenomics research studying the entire microbial communities of sponges. The present thesis aimed to explore sponge-cyanobacteria associations in a previously unexplored eastern Mediterranean ecoregion, the Aegean Sea, by a culture-dependent approach. An extensive evaluation of the literature on the diversity of sponge-cyanobacteria association was performed. The review raised the number of sponge species known for hosting cyanobacteria to 311, and revealed that the global cyanobacterial diversity reported from sponges remains underestimated due to the phylum-wide investigations on sponge microbiome. The culture-dependent approach, performed in the present thesis in the Aegean Sea sponges, resulted in the isolation of 15 sponge-associated cyanobacterial strains from 12 sponge species, which were found to form novel clades inside the orders Synechococcales and Pleurocapsales. In addition, this approach revealed that the photosynthetic communities of Aegean Sea sponges are also consisted of eukaryotes; five strains of photosynthetic eukaryotes belonging to four different phyla (Bacillariophyta, Cercozoa, Rhodophyta, and Chlorophyta) were isolated and characterised. Aiming to further characterise the sponge-associated cyanobacterial strains, an extensive polyphasic approach (i.e., a combination of molecular, morphological and ecological data) was performed. This approach resulted in the description of six new genera (Leptothoe, Rhodoploca, Cymatolege, Metis, Aegeococcus, and Thalassoporum) and ten new species (Le. sithoniana, Le. spongobia, Le. kymatousa, R. sivoneniae, C. spiroidea, C. isodiametrica, M. fasciculata, A. anagnostidisii, A. thuretii, T. komarekii) inside Synechococcales, and a new pleurocapsalean species (Xenococcus spongiosum). The considerable number of novel taxa characterised in this study highlighted the great cyanobacterial diversity living in association with the Aegean Sea sponges, and emphasise the importance of employing polyphasic culture-dependent approaches in order to reveal the true sponge-associated cyanobacterial diversity. Further, the potential of sponge‐associated cyanobacteria strains for the production of bioactive compounds and the biological activity of their extracts were assessed. Genes encoding for non‐ribosomal polyketide synthases (PKSs) were detected in all strains, while strains belonging to Leptothoe, Metis, and Aegeococcus were found to have bioactivities (antimicrobial and/or cytotoxic). In order to better understand the biology of sponge-associated cyanobacteria, two draft genomes of the promising sponge-associated strains belonging to Leptothoe (Le. kymatousa TAU-MAC 1615 and Le. spongobia TAU-MAC 1115) were sequenced, and a comparative genomic analysis of host-associated and free-living members of this genus was performed. Genomic hallmarks for a symbiotic lifestyle were revealed, such as evidence of genome reduction and detection of genes encoding for eukaryotic-like proteins. Genome-mining analysis revealed a great number of natural product biosynthetic gene clusters (BGCs) in Leptothoe genomes, suggesting that strains of this genus deserve to be further explored for novel natural products.

Τα κυανοβακτήρια έχουν κυρίαρχη θέση ανάμεσα στους μικροοργανισμούς που αναπτύσσουν συμβιωτικές σχέσεις με τους σπόγγους. Η συμβιωτική σχέση που αναπτύσσουν οι σπόγγοι με τα κυανοβακτήρια αποτελεί μια από τις αρχαιότερες γνωστές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ζώων και μικροοργανισμών. Ένα μεγάλο μέρος της υπάρχουσα γνώσης για την ποικιλότητα, την οικολογία και τη λειτουργία των συμβιωτικών με σπόγγους κυανοβακτηρίων είναι «κρυμμένο» σε έρευνες μεταγονιδιωματικής που εξετάζουν ολόκληρη τη μικροβιακή κοινότητα ενός σπόγγου στο ταξινομικό επίπεδο του Φύλου. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει να διερευνήσει τις συμβιωτικές σχέσεις σπόγγων-κυανοβακτηρίων, σε μια περιοχή όπου αυτές οι συμβιωτικές σχέσεις παραμένουν ανεξερεύνητες, το Βόρειο Αιγαίο, με μια προσέγγιση βασισμένη στην απομόνωση των βακτηρίων σε καλλιέργειες. Πραγματοποιήθηκε εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση της ποικιλότητας των συμβιωτικών σχέσεων σπόγγων-κυανοβακτηρίων. H ανασκόπηση αποκάλυψε ότι η ποικιλότητα των συμβιωτικών κυανοβακτηρίων φαίνεται να μην είναι καλά γνωστή κυρίως λόγω της προσέγγισης στη διερεύνηση της ποικιλότητας του μικροβιώματος των σπόγγων, δηλαδή διερεύνηση στη βαθμίδα του Φύλου (μικροβιωτών). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εφαρμόστηκε μια προσέγγιση που είχε στόχο την απομόνωση συμβιωτικών κυανοβακτηρίων από σπόγγους στο Βόρειο Αιγαίο. Απομονώθηκαν 15 στελέχη συμβιωτικών κυανοβακτηρίων, τα οποία σχημάτιζαν νέους κλάδους εντός των Τάξεων Synechococcales και Pleurocapsales. Προκειμένου να διερευνηθεί η νέα ποικιλότητα των κυανοβακτηρίων που απομονώθηκαν από σπόγγους, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για τον πολυφασικό χαρακτηρισμό τους (αναλύσεις μοριακών, μορφολογικών, και οικολογικών δεδομένων) σύμφωνα με τις σύγχρονες απόψεις στην ταξινόμηση των κυανοβακτηρίων. Η ανάλυση των παραπάνω δεδομένων οδήγησε στην περιγραφή έξι νέων γενών (Leptothoe, Rhodoploca, Cymatolege, Metis, Aegeococcus και Thalassoporum) και 10 νέων ειδών (Le. sithoniana, Le. spongobia, Le. kymatousa, R. sivoneniae, C. spiroidea, C. isodiametrica, M. fasciculata, A. anagnostidisii, A. thuretii, T. komarekii) εντός της τάξης Synechococcales, καθώς και ενός νέου είδους εντός της τάξης Pleurocapsales (Xenococcus spongiosum). Ο μεγάλος αριθμός νέων τάξων που περιγράφηκαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή υπογραμμίζει την αναγκαιότητα για την εφαρμογή προσεγγίσεων που βασίζονται στην απομόνωση με σκοπό την αποκάλυψη της πραγματικής ποικιλότητας των συμβιωτικών κυανοβακτηρίων. Τα στελέχη των συμβιωτικών κυανοβακτηρίων διερευνήθηκαν για τη δυνατότητα να παράγουν βιοδραστικές ενώσεις και πραγματοποιήθηκε εκτίμηση της βιοδραστικότητας των εκχυλισμάτων τους (αντιμικροβιακής και αντικαρκινικής). Στα στελέχη συμβιωτικών κυανοβακτηριών ανιχνεύτηκαν γονίδια που εμπλέκονται στη μη ριβοσωμική πολυκετιδική σύνθεση (PKS). Στελέχη που ανήκουν στα γένη Leptothoe, Metis και Aegeococcus εμφάνισαν ενδιαφέρουσες βιοδραστικότητες (αντιμικροβιακές ή/και αντικαρκινικές). Με σκοπό να κατανοήσουμε καλύτερα τη βιολογία των συμβιωτικών με σπόγγους κυανοβακτηρίων, αλληλουχήθηκαν τα γονιδιώματα των στελεχών που παρουσίασαν το μεγαλύτερο μεταβολικό δυναμικό και ανήκουν στο γένος Leptothoe (Le. kymatousa TAU-MAC 1615 and Le. spongobia TAU-MAC 1115), και πραγματοποιήθηκε συγκριτική γονιδιωματική ανάλυση με άλλα στελέχη του ίδιου γένους (είτε συμβιωτικά με άλλους οργανισμούς, είτε μη συμβιωτικά). Στα γονιδιώματα των συμβιωτικών με σπόγγους κυανοβακτηρίων παρατηρήθηκαν χαρακτήρες που σηματοδοτούν έναν συμβιωτικό τρόπο διαβίωσης, όπως η μείωση του μεγέθους του γονιδιώματος, αλλά και η παρουσία πρωτεϊνών που ομοιάζουν με αυτές των ευκαρυωτών. Μέσω αναλύσεων εξόρυξης γονιδιώματος (genome mining) εντοπίστηκε στα γονιδιώματα του γένους Leptothoe μεγάλος αριθμός συστοιχιών γονιδίων που εμπλέκονται στη βιοσύνθεση ενώσεων (περισσότερες από 100 συστοιχίες). Συμπερασματικά, υπογραμμίζεται το μεταβολικό δυναμικό των στελεχών του γένους και η ανάγκη για περαιτέρω διερεύνηση με σκοπό την ανακάλυψη νέων ενώσεων με φαρμακευτικό ενδιαφέρον.