Genes, genomes, and transcriptomes of ciliates and their prokaryotic endosymbionts

The topic of my PhD research was the study of symbiotic relationships between ciliated protozoa (phylum Ciliophora) and their bacterial symbionts, employing mainly molecular techniques with the goal of characterizing both partners in the symbiosis. My projects can be grouped into four categories, each corresponding to one of the parts of this thesis. In the first part I present the description of 6 bacterial species, providing information on their classification, relationship with the host, and phylogeny. The peculiar features of some of these prokaryotes, like the presence of flagella in representatives of lineages previously considered non-flagellated, allowed to propose evolutionary hypotheses of broader interest, including inferences on the characteristics of the mitochondria ancestor. The second part of the thesis contains the first genomic analysis of a bacterial symbiont, Polynucleobacter necessarius, harbored by a ciliate, Euplotes. The genomic structure and the gene content were comparatively studied with closely related free-living organisms in order to understand the physiological bases of the ciliate/symbiont interaction and study the process of genome reduction, that is seldom investigated outside of model arthropodan systems. In the third part of the thesis, I present systematic and multi-disciplinary surveys of symbiont-harboring ciliate genera, combining old and new data on many aspects of their diversity, including phylogeny and biogeography. The fourth part briefly reports the results of my most recent line of research, ciliate transcriptomics, and in particular the successful optimization of a single-cell RNA-seq protocol suitable for protists. In summary, this thesis provides characterization works on previously understudied organisms, hypotheses on the evolution of varied features, and the first results in two areas in their infancy: genomics of ciliate symbionts, and single-cell transcriptomics of protists. [ITA] L’argomento della mia ricerca di dottorato è stato lo studio delle relazioni simbiotiche tra protozoi ciliati (Phylum Ciliophora) e i loro endosimbionti batterici, utilizzando principalmente tecniche molecolari al fine di caratterizzare entrambi i partner della simbiosi. I miei progetti possono essere suddivisi in quattro categorie, corrispondenti ciascuna a una delle quattro parti di questa tesi. Nella prima parte presento la descrizione di 6 specie batteriche, fornisco informazioni sulla loro classificazione, rapporto con l’ospite, e filogenesi. Le caratteristiche più peculiari di alcuni di questi procarioti, come la presenza di flagelli in rappresentanti di gruppi precedentemente considerati non flagellati, ha consentito di proporre ipotesi evolutive di più ampio interesse, incluse ricostruzioni delle possibili caratteristiche dell’antenato dei mitocondri. La seconda parte di questa tesi contiene la prima analisi genomica su un simbionte batterico, Polynucleobacter necessarius, ospite di un ciliato, Euplotes. La struttura genomica e il contenuto genico sono stati studiati comparativamente rispetto a organismi a vita libera strettamente imparentati, per comprendere le basi fisiologiche dell’interazione ciliato/simbionte e studiare il processo di riduzione genomica, raramente investigato al di fuori dei sistemi modello negli artropodi. Nella terza parte della tesi presento indagini sistematiche e multidisciplinari su generi di ciliati che ospitano simbionti, integrando dati vecchi e recenti su molti aspetti della loro diversità, incluse filogenesi e biogeografia. La quarta parte riporta brevemente i risultati della mia più recente linea di ricerca, la trascrittomica dei ciliati, e in particolare il successo nell’ottimizzazione di un protocollo di RNA-seq su singola cellula efficace sui protisti. In sintesi, questa tesi fornisce caratterizzazioni di organismi precedentemente poco noti, ipotesi sull’evoluzione di diversi caratteri, e i primi risultati in due campi appena agli inizi: la genomica dei simbionti di ciliati, e la trascrittomica su singola cellula di protisti.