Genetic diversity and polyphyletic origin of the Dictyosphaerium morphotype

Abstract

Colonial green algae exhibiting the Dictyosphaerium morphology are common members in freshwater habitats. They can be dominating the plankton of lakes and form blooms. The Dictyosphaerium morphotype is characterized by spherical or oval cells which are connected via gelatinous stalks and surrounded by mucilaginous envelopes. In this thesis, the diversity and phylogenetic relationships of members of the Dictyosphaerium morphotype was evaluated by combining molecular phylogenetic analyses based on SSU and ITS rRNA gene sequences, with secondary structure comparisons and morphological examinations. The molecular analyses showed a polyphyletic origin of the Dictyosphaerium morphotype within the Chlorellaceae (Trebouxiophyceae). The molecular studies demonstrated the incongruence between phylogenetic relationships and morphological classifications. Several taxa formerly grouped in different algal families clustered within the Chlorellaceae. The newly designated epitype-strain of D. ehrenbergianum was member of a new phylogenetic subclade within the Parachlorella clade of the Chlorellaceae, assigning the genus Dictyosphaerium to this clade. Next to the epitype, two new lineages evolved which resembled D. ehrenbergianum but differed in their genetic signature. According to the Compensatory Base Change (CBC) approach, these two new lineages are separate species, even if morphological criteria distinguishing them from D. ehrenbergianum are scarce. Moreover, the mucilaginous morphotype evolved in new lineages within the Chlorella and Parachlorella clades. Dictyosphaerium tetrachotomum is one of the most frequent Dictyosphaerium species in inland waters. The phylogenetic tree revealed a new subclade consisting of this morphotype within the Chlorella clade. In addition, several lineages with the spherical morphotype were detected within the Chlorella and Parachlorella clades. This high genetic range did not correspond to a high morphological distinctness, since only small morphological changes were observed between lineages. This study further revealed that the Dictyosphaerium morphotype clustered closely to Chlorella vulgaris. By applying Moniz and Kaczmarska`s barcoding system on the genus Chlorella we were able to define nine new lineages within the genus, including seven species with mucilage and colonial life form. The delineation of Chlorella species by this barcoding system was congruent with the CBC approach. The phylogenetic study further showed that the Dictyosphaerium morphotype evolved also within the Chlorophyceae. One clade containing Dictyosphaerium strains without pyrenoids clustered between members of the solitary genus Mychonastes. The phylogenetic tree revealed no clear distinction between solitary and colonial strains. Consequently, all strains were newly combined to Mychonastes. This thesis demonstrated how molecular results can reshape the classification and understanding of conceptions of genera and species in colonial and mucilaginous green algae. Similar morphological traits may be the result of convergent evolution and phenotypic adaptations to ecosystem conditions and do not have to reflect phylogenetic relationships. In addition, our results stressed the importance of thoroughly sampled and well characterized groups to serve as model systems for the construction of the green algae tree of life.

Koloniale Grünalgen des Dictyosphaerium-Phänotyps sind typische Vertreter des Planktons im Süßwasser. In eutrophen Seen können sie die Zusammensetzung des Planktons dominieren. Sie sind geprägt durch runde oder ovale Zellen, die durch gallertartige Stränge miteinander verbunden und von einer Schleimhülle umgeben sind. In dieser Dissertation wurden die Diversität und die Verwandtschaftsbeziehungen des Dictyosphaerium-Phänotyps mit Hilfe eines kombinierten Ansatzes aus molekular-phylogenetischen Untersuchungen, Sekundärstrukturanalysen und morphologischen Beobachtungen evaluiert. Molekulare Untersuchungen haben gezeigt, dass der Dictyosphaerium-Phänotyp polyphyletisch innerhalb der Chlorellaceae entstanden ist. Neueste Resultate ergaben, dass Taxa mit unterschiedlichster Morphologie innerhalb der Chlorellaceae evolvierten. Durch die Designierung eines Epitypus für Dictyosphaerium ehrenbergianum konnte die Gattung Dictyosphaerium einer neuen phylogenetischen Linie im Parachlorella-Clade zugeordnet werden. Weitere phylogenetische Linien entwickelten sich neben der des Epityps, deren Stämme D. ehrenbergianum morphologisch stark ähneln. Die genetische Signatur wies CBCs innerhalb der ITS2 auf wodurch die Linien nach dem CBC Konzept unabhängigen Arten entsprechen. Molekulare Untersuchungen am D. tetrachotomum- Phänotyp zeigten eine neue Linie im Chlorella-Clade und damit wurde er einer neuen Gattung zugeordnet. Mehrere Linien mit Dictyosphaerium-artigen Phänotypen und runden Zellen konnten im Chlorella-und Parachlorella-Clade entdeckt werden, und neue Gattungen und Arten wurden beschrieben. Das hohe genetische Spektrum spiegelte sich nicht in einer morphologischen Vielfalt wieder und erschwerte eine morphologische Identifikation. Überraschenderweise wurde eine nahe Verwandtschaft des Dictyosphaerium-Phänotyps zur solitären- schleimlosen Chlorella vulgaris nachgewiesen. Durch die Anwendung des Barcoding-Systems nach Moniz und Kaczmarska wurden innerhalb der Gattung Chlorella neun neue Linien aufgezeigt, sieben davon koloniale Arten mit Schleimhülle. Die Abgrenzung der Chlorella-Arten mit Hilfe des Barcoding- Systems erfolgte übereinstimmend mit dem CBC Konzept wodurch die Gattung Chlorella emendiert werden musste um koloniale und schleimbildende Arten mit einzubeziehen. Weiterhin zeigte die Phylogenie, dass der Dictyosphaerium- Phänotyp auch innerhalb der Chlorophyceae evolvierte. Pyrenoidfreie Dictyosphaerium-Stämme formten ein gemeinsames Cluster mit solitären Vertretern der Gattung Mychonastes. Es konnte keine Gruppierung zwischen den solitären und kolonialen Stämmen aufgezeigt werden, aufgrund dessen wurden die Pseudodictyosphaerium-Arten in die Gattung Mychonastes überführt. Vorliegende Ergebnisse zeigen, in welchem Maße molekulare Resultate unser Verständnis über die Klassifizierung und die Konzepte zur Gattungs- und Artabgrenzung von kolonialen und schleimbildenden Grünalgen verändern können. Viele morphologische Merkmale sind das Resultat konvergenter Evolution und phänotypischer Anpassung an die Bedingungen im Ökosystem und stellen keine direkte phylogenetische Verwandtschaft dar. Diese Erkenntnisse verdeutlichten weiterhin die Bedeutung von gut untersuchten und genau charakterisierten Algengruppen als Modelle für die Konstruktion des Stammbaumes der Grünalgen.