Microbial metacommunities in subarctic streams

Abstract

Abstract

While the concept of metacommunity has been extensively applied in plants and animals, microbial metacommunities have only gained interest in recent years, partly driven by the advancement of DNA sequencing techniques. As microbes are key players in stream ecosystems, it is integral to understand their distributional patterns. In this thesis, my goal is to study the biodiversity patterns of subarctic stream bacterial communities through space and time. Specifically, I aimed to determine: 1) the role of stream network position and seasonality to bacterial diversity and community composition, 2) the temporal turnover of bacterial metacommunities in relation to network positioning, and 3) the distributional determinants of rare versus abundant biospheres and the different types of rarity. For these purposes, I used an extensive, both temporally (across seasons and years) and spatially (13 sites) replicated data set collected in River Riisijoki, northeastern Finland. The results of this study highlight the role of network position and temporal dynamics in shaping bacterial metacommunities. Biofilm diversity showed no significant effect of network location whereas bacterioplankton was substantially affected by network position, with upstream sites harbouring the highest diversity, followed by a stark decrease along the network. Biofilm communities were generally phylogenetically more closely related than were their bacterioplankton counterpart. Bacterioplankton exhibited the highest temporal turnover at the upmost headwater sites while biofilm communities showed an opposite pattern, with temporal turnover increasing with the network distance. This suggests that headwater biofilms are relatively more stable through time than are their downstream counterparts while the opposite holds for bacterioplankton. The rare and abundant bacterial biospheres followed the same distributional pattern but with differing assembly mechanisms and environmental factors controlling them. To confirm whether the patterns observed in this study are general across boreal river systems, field surveys should be extended to other watersheds. Furthermore, as my study was conducted in a highly pristine environment, it would be important to conduct corresponding surveys in watershed impacted by different levels of anthropogenic land uses, particularly forestry (e.g., peatland drainage) and agriculture.

Tiivistelmä

Metayhteisökäsitettä on sovellettu jo pitkään kasveihin ja eläimiin. Viimeaikaiset edistykset DNA-sekvensointitekniikassa ovat mahdollistaneet metayhteisötarkastelut myös mikro-organismeille. Mikrobit ovat avainasemassa virtaekosysteemeissä, joten on olennaista ymmärtää niiden yhteisökoostumukseen vaikuttavia tekijöitä. Väitöskirjatutkimukseni tavoitteena on tutkia subarktisten virtavesien bakteeriyhteisöjen biodiversiteettiä ja sen ajallista vaihtelua suhteessa niiden spatiaaliseen sijaintiin. Erityisesti pyrin: i) tutkimaan bakteeriyhteisöjen monimuotoisuutta ja koostumusta eri osissa jokiverkostoa eri vuodenaikoina, ii) arvioimaan jokiverkostosijainnin merkitystä bakteeriyhteisöjen ajallisen vaihtelun selittäjänä, ja iii) selvittämään mahdollisia spatiaalisia ja ajallisia eroja yleisten ja harvinaisten bakteerien esiintymisessä. Väitöskirjatutkimuksessani käytin laajaa, sekä ajallisesti (eri vuodenaikoina ja vuosina) että spatiaalisesti (13 paikkaa) replikoitua aineistoa, joka kerättiin Koillismaalla sijaitsevan Riisijoen jokiverkostosta. Tutkimuksen tulokset korostavat jokiverkoston sijainnin ja tutkimusajankohdan merkitystä bakteeriyhteisöjen koostumuksen ja sen vaihtelun selittäjinä. Jokiverkostosijainnilla ei ollut vaikutusta uoman pohjalta kerätyn biofilmin monimuotoisuuteen, mutta vesipatsaasta kerätyn bakteeriplanktonin monimuotoisuus vaihteli suhteessa jokiverkoston sijaintiin. Bakteeriyhteisöjen monimuotoisuus oli suurinta latvapurojen paikoilla ja väheni jyrkästi alajuoksun suuntaan. Näytteissä olevat biofilmiyhteisöt olivat yleisesti ottaen fylogeneettisesti keskenään samankaltaisempia kuin vastaavat bakteeriplanktonyhteisöt. Bakteeriplanktonyhteisöjen ajallinen vaihtelu oli suurinta ylävirtaan sijoittuvilla paikoilla ja pienintä alajuoksulla, kun taas biofilmiyhteisöillä havaittiin päinvastainen kaava, ajallisen vaihtelun kasvaessa latvapuroilta pääuomaan päin. Latvapurojen biofilmiyhteisöt ovat siis ajallisesti vakaampia kuin vastaavat alavirtaan sijoittuvat ja bakteeriplanktonilla päinvastoin. Sekä harvinaisilla että yleisillä bakteereilla oli selvä ero yhteisökoostumuksessa joen kokoluokkien välillä, mutta yhteisöjen koostumusta selittävät mekanismit ja ympäristötekijät erosivat harvinaisen ja yleisen biosfäärin välillä. Väitöskirjatutkimuksessani havaittujen tulosten yleistettävyyden varmistamiseksi on tärkeää laajentaa vastaavanlaisia kenttätutkimuksia useisiin boreaalisiin jokiverkostoihin eri valuma-alueilla. Lisäksi, koska tutkimukseni tehtiin luonnontilaisessa ympäristössä, on tärkeää sisällyttää mukaan valuma-alueita, jotka ovat alttiita erilaisille maankäytön paineille erityisesti metsätalouden (esimerkiksi turvemaiden kuivatus) ja maatalouden osalta.

<div lang="en" class="abs"> <p class="abs_header">Original papers</p> <ol type="I"> <li> <p>Malazarte, J., Muotka, T., Jyv&auml;sj&auml;rvi, J., Lehosmaa, K., Nyberg, J., &amp; Huttunen, K. (2022). Bacterial communities in a subarctic stream network: Spatial and seasonal patterns of benthic biofilm and bacterioplankton. Molecular Ecology, 31(24), 6649&ndash;6663. https://doi.org/10.1111/mec.16711 <a href="https://doi.org/10.1111/mec.16711">https://doi.org/10.1111/mec.16711</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202301021094">Self-archived version</a></p> </li> <li> <p>Huttunen, K.-L., Malazarte, J., Jyv&auml;sj&auml;rvi, J., Lehosmaa, K., Muotka, T. (2023). Temporal beta diversity of bacteria in streams: network position matters but more so for bacterioplankton than biofilm communities. Manuscript in preparation. </p> </li> <li> <p>Malazarte, J., Muotka, T., Jyv&auml;sj&auml;rvi, J., Lehosmaa, K., Mustonen, K.-R., Tarvainen, L., Huttunen, K.-L. (2023). Bacterial rarity in a subarctic stream network: biodiversity patterns, assembly mechanisms, and types of rarity. Manuscript in preparation. </p> </li> </ol> </div>

<div lang="fi" class="abs"> <p class="abs_header">Osajulkaisut</p> <ol type="I"> <li> <p>Malazarte, J., Muotka, T., Jyv&auml;sj&auml;rvi, J., Lehosmaa, K., Nyberg, J., &amp; Huttunen, K. (2022). Bacterial communities in a subarctic stream network: Spatial and seasonal patterns of benthic biofilm and bacterioplankton. Molecular Ecology, 31(24), 6649&ndash;6663. https://doi.org/10.1111/mec.16711 <a href="https://doi.org/10.1111/mec.16711">https://doi.org/10.1111/mec.16711</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202301021094">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> <li> <p>Huttunen, K.-L., Malazarte, J., Jyv&auml;sj&auml;rvi, J., Lehosmaa, K., Muotka, T. (2023). Temporal beta diversity of bacteria in streams: network position matters but more so for bacterioplankton than biofilm communities. Manuscript in preparation. </p> </li> <li> <p>Malazarte, J., Muotka, T., Jyv&auml;sj&auml;rvi, J., Lehosmaa, K., Mustonen, K.-R., Tarvainen, L., Huttunen, K.-L. (2023). Bacterial rarity in a subarctic stream network: biodiversity patterns, assembly mechanisms, and types of rarity. Manuscript in preparation. </p> </li> </ol> </div>