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Abstract

As a consequence of human impact, our planet is experiencing an alarming decline in biodiversity. However, estimating the extent of this loss is complex as many environments are still understudied to this day. While marine systems have been studied for decades, due to their incredible diversity and heterogeneity, our knowledge concerning their biology is still limited.

Microplankton are widely distributed across the photic layer of the oceans and are responsible for an important fraction of CO2 absorption and O2 production on earth through photosynthesis (C. Field et al., 1998). Furthermore, these organisms play a crucial role in the equilibrium of the marine food web. They thus have a central ecological importance for climate and ecosystems regulation. Studying environmental microplanktonic cells populating our oceans is crucial to better assess the range in their biodiversity, as well as to investigate further their biology, physiology, and their response to changing environments. Additionally, thus far, it is only possible to preserve a small fraction of marine microorganisms in the laboratory, and setting large scale environmental investigations is difficult.

In my thesis project, I first focused on setting a workflow that would enable a detailed ultrastructural analysis of microplankton from the field. I collected microorganisms at sea in the early morning and afternoon, starting with an unsorted community of species taken from a 5 to 40 μm size fraction. From such bulk samples, I focused on a subset of eukaryotic phytoplanktonic organisms, dinoflagellates, and studied their subcellular morphologies using Electron Microscopy (EM).

Using unbiased 2D EM screens, I built an image atlas that gathers ultrastructural details of all species collected during our field expeditions across morning and afternoon conditions. From this Transmission Electron Microscopy (TEM) screen, I could annotate classes of subcellular structures which seemed to be associated to certain genera or trophic modes. Furthermore, this screen enabled me to observe variations, at the population level, in the occurrence of a subset of organelles.

I then contributed in developing a light microscopy guided targeting strategy to perform volume EM imaging of a subset of organisms of interest from a heterogeneous environmental sample. Combining 2D and 3D EM modalities, I could work towards determining group-specific subcellular characteristics, and better understanding morphological variations existing in a mixed population, or in targeted organisms, across an ecological gradient (morning and afternoon).

My work has set the ground for some projects of the ongoing large scientific expedition called TREC and I am very excited to see how my results and also those from my colleagues in the lab will contribute to a better understanding of the marine ecosystems and their response to changing environments.

Translation of abstract (German)

Als eine Folge des menschlichen Einflusses erlebt unser Planet eine alarmierende Abnahme an Biodiversität. Jedoch das Ausmaß dieses Verlustes zu schätzen ist sehr komplex, da viele Lebensräume bis heute zu wenig untersucht sind. Obwohl marine Systeme seit Jahrzehnten untersucht werden, ist auf Grund ihrer unglaublichen Diversität und Heterogenität, unser Wissen über deren Biologie immer noch sehr limitiert.

Mikroplankton ist großflächig über die lichtdurchfluteten Schichten des Ozeans verteilt und für einen wichtigen Teil der CO2-Absorption und O2-Produtktion auf der Erde durch Photosynthese verantwortlich (C. Field et al., 1998). Außerdem spielen diese Organismen eine kritische Rolle im Equilibrium des marinen Nahrungsnetzes. Daher haben sie eine zentrale ökologische Bedeutung für die Regulation des Klimas und des Ökosystems. Das Untersuchen von umweltbedingten microplanktonischen Zellen, die unsere Ozeane bevölkern, ist entscheidend um besser deren Spektrum in der Biodiversität zu verstehen, sowie vertiefend ihre Biologie, Physiologie und ihre Reaktion auf sich verändernde Umweltbedinungen zu erforschen. Zusätzlich ist es bisher nur möglich eine kleine Anzahl an marinen Mikroorganismen im Labor zu kultivieren und groß angelegte Umweltuntersuchungen sind schwierig umzusetzen.

In meiner Doktorarbeit habe ich mich zuerst daruaf fokussiert einen Arbeitsablauf zu etablieren, der es mir erlauben würde, detaillierte ultrastrukturelle Analysen von Mikroplankton aus der Feldforschung durchzuführen. Hierfür habe ich Mikrooragnismen im Meer am frühen Morgen und am Nachmittag gesammelt, beginnend mit unsortierten Gemeinschaften von Spezies, welche aus der 5 bis 40 µm Partikelgröße gewonnen wurden. Von dieser Gesamtprobe habe ich mich auf einen Teil der eukaryotischen, phytoplanktonischen Organismen, Dinoflagellaten, fokussiert, und deren subzelulläre Morphologie mittels Elektronenmikroskopie (EM) studiert.

Mit Hilfe unvoreingenommener 2D EM Voruntersuchungen habe ich einen Bildatlas, welcher ultrastrukturelle Details von allen Spezies die während der Exkursionen sowohl unter den Bedingungen vormittags als auch nachmittags gesammelt wurden, aufgebaut. Von dieser transmissionselektronenmikroskopischen (TEM) Analyse konnte ich Klassen von subzellulären Strukturen, die zu bestimmten Gattungen oder trophischen Modi gehören schienen, annotieren. Desweiteren hat es mir diese Voruntersuchung erlaubt Variationen, auf dem Populationslevel, an dem Auftreten eines Teils der Organellen, zu beobachten.

Ich habe danach dazu beigetragen eine lichtmikroskopisch geführte Targeting-Strategie zu entwickeln, um Volumen-EM Bildaufnahmen an einem Teil der Organismen aus einer heterogenen Probe aus der Umwelt durchzuführen. Die Kombination aus 2D und 3D EM Modalitäten, half mir gruppenspezifische subzelluläre Charakteristika herauszuarbeiten und ein besseres Verständnis der morphologischen Variationen in einer gemischten Population oder in einem bestimmten Organismus über einen ökologischen Gradienten (vormittags und nachmittags) zu verstehen.

Meine Arbeit hat die Grundlage für weitere Projekte im Zuge der großen wissenschaftlichen, aktuell laufenden Expedition, genannt TREC, geschaffen. Ich bin sehr gespannt zu sehen wie meine Resultate und die meiner Kollegen im Labor dazu beitragen werden ein besseres Verständnis der marinen Ökosysteme und deren Antwort auf die sich verändernde Umwelt zu schaffen.