Exploring the Hidden Diversity of Vampire Amoebae (Vampyrellida, Rhizaria)

Non-fungal eukaryotic microbes, which represent a major portion of the protists, make up the bulk of eukaryotic diversity on planet Earth. These microbes fulfill a myriad of roles in our ecosystems, including serving as primary producers and predators. The vampire or vampyrellid amoebae are an order of predatory micro-eukaryotes which have been known for around 150 years. They occur in a wide range of habitats such as moorlands, periglacial ice and even the deep sea. All known vampyrellids possess a two-part life history, with a prey-seeking amoeba as well as an obligatory digestive cyst stage, but they display a surprising diversity in morphology and prey spectra. Some vampyrellids are known as specialist predators, feeding only on one type of prey (such as algae of a single genus or algae with a similar morphology) while others display more generalist tendencies. Indeed, vampyrellids are most famously known for protoplast feeding, whereupon a vampyrellid pierces the prey cell wall via annular perforation and extracts the protoplast; which gave rise to their name. So far, three other known feeding strategies exist. Despite their long history much of our knowledge on vampyrellids remains fragmented, with only around fourteen previously known mainly monotypic genera. However, environmental sequence data reveals that much of vampyrellid diversity remains unexplored with no phenotype known. Equally, most of the historically described vampyrellid taxa have no genotypic data associated with them. Thus, the goal of this doctoral dissertation is to explore vampyrellid diversity, with an eye towards discovering new lineages as well as re-discovering historical taxa which have no genetic data associated with them. During this doctoral study and the projects involved, vampyrellids were isolated from natural samples and laboratory cultures were established. These cultures were studied in regards to morphology, feeding spectra, digestive cyst characteristics, feeding strategies as well as other noteworthy features. Additionally, the 18S rRNA gene, a widely used genetic marker, was utilized to reconstruct their phylogeny and assess their potential taxonomic identity. Investigating the diversity of vampyrellids revealed that as an order they had been massively unexplored. Included in this thesis are four publications in regard to the diversity of the Vampyrellida. The first chapter is a review of the Vampyrellida, the first 21th century review, which provides an informational basis for all subsequent chapters. The second chapter covers the rediscovery and redescription of Vampyrella closterii and its taxonomic reassignment to the genus Pseudovampyrella gen. nov. in the family Leptophryidae, as well as the additional description of a related species, Pseudovampyrella minor sp. nov. The third chapter entails the discovery of the new leptophryid genus Strigomyxa ruptor gen. et sp. nov., which possesses a previously unknown feeding strategy, internal protoplast extraction and disgorgement, a remarkably complex strategy for prey handling. The fourth chapter encompasses the discovery and description of Vampyrella crystallifera sp. nov., which is the first description of a Vampyrella species in the last 50 years. It also possesses a previously unknown feeding strategy, free capture with whole cell wall dissolution, bringing the total to six known vampyrellid feeding strategies. Its name-giving feature, numerous refractive cytoplasmic crystal-like structures are also a rarity among vampyrellids. A discussion putting these findings into the greater context of protist and amoebal feeding and diversity is found at the end. Overall, the findings in this thesis showcase the incredible diversity of these predatory amoebae and indicate how underestimated vampyrellid diversity has been.

Nicht pilzartige eukaryotische Mikroben, welche einen Hauptteil der Protisten darstellen, machen einen Großteil der eukaryotischen Diversität auf diesem Planeten aus. Sie erfüllen verschiedene Rollen, von Primärproduzenten zu Räubern. Viele dieser Räuber besitzen eine ganze Reihe an vielfältigen Adaptationen und besondere Fressstrategien. Die Vampir-Amöben, oder Vampyrelliden sind räuberische Amöben der Ordnung Vampyrellida (Rhizaria), die ihren Namen dadurch erhielten, dass sie für die Nahrungsaufnahme die Zellwände ihrer Beuteorganismen perforieren und mithilfe eines Fresspseudopodiums den Protoplasten entnehmen. Als Ordnung besitzen sie eine lange und komplizierte taxonomische Geschichte, aber es ist heutzutage bekannt, dass es vier beschriebene Familien und vier weitere informelle Kladen gibt, die taxonomisch nicht definiert sind. Seltene Naturbeobachtungen besagen, dass Vampyrelliden Algenpopulationen dezimieren können. Durch Umweltsequenzdaten und der Forschungsgeschichte der Vampyrelliden wissen wir, dass es mehrere Organismen gibt, für die keine genetische oder phänotypische Daten existieren und somit deren Diversität noch sehr fragmentiert ist. Daher ist das Ziel dieser Arbeit die Erforschung der Diversität von Vampyrelliden, mit besonderem Fokus auf der Entdeckung neuer Kladen und Wiederfindung historischer Taxa ohne genetische Information. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Vampyrelliden aus Naturproben isoliert und Kulturen für phänotypische und genetische Charakterisierungen etabliert, um die Diversität der Vampyrelliden zu untersuchen. Die Morphologie, Fressspektren und andere Charakteristika wurden mithilfe verschiedener mikroskopischer Techniken untersucht. Diese etablierten Stämme wurden mit Hilfe der 18S rRNA phylogenetisch platziert und ihre Evolution rekonstruiert. Die Untersuchung der Diversität der Vampyrellida zeigte, dass sie als Ordnung bisher wenig erforscht worden sind. Die Arbeit umfasst vier Publikationen über die Diversität der Vampyrelliden. Das erste Kapitel umfasst ein erstes modernes Review der Vampyrelliden und dient daher als Informationsbasis für alle folgenden Kapitel. Das zweite Kapitel umfasst die Wiederentdeckung und Wiederbeschreibung von Vampyrella closterii, ihre taxonomische Neuklassifizierung zu dem Genus Pseudovampyrella gen. nov. in der Familie der Leptophryidae und eine zusätzliche Beschreibung der neuen Art Pseudovampyrella minor sp. nov. Das dritte Kapitel beinhaltet die Entdeckung der neuen Leptophryiden-Gattung Strigomyxa gen. nov. mit der Art Strigomyxa ruptor sp. nov., welche eine bisher unbekannte Fressstrategie besitzt. Diese zeichnet sich durch die Aufnahme ganzer Algen Zellen aus und eine interne Protoplastenextraktion mit anschließendem Auswurf der nicht verwerteten Zellwände in einer aktiven Amöbe, was einen bemerkenswert komplexen Vorgang darstellt. Das vierte Kapitel enthält die Beschreibung der ersten neuen Spezies von Vampyrella in den letzten 50 Jahren: Vampyrella crystallifera, welche mit konventioneller Phagozytose der Beute und dem kompletten Auflösen der Zellwand ebenfalls eine bisher unbekannte Fressstrategie aufweist, womit sich insgesamt sechs bekannte Vampyrelliden Fressstrategien ergeben. Zusätzlich besitzt diese neue Vampyrella sie mehrere zytoplasmatische kristallartige Strukturen, eine weitere Seltenheit unter Vampyrelliden, die in diesem Fall namensgebend ist. Eine Diskussion, die diese Entdeckungen in den breiten Kontext der protistologischen und amöboiden Ernährungmechanismen und Diversität stellt, beendet diese Arbeit. Insgesamt zeigen die Befunde in dieser Arbeit eine breite Diversität der Vampiramöben und wie untererforscht diese faszinierenden Räuber sind.