Ricostruzione integrata e annotazione del trascrittoma di tre specie di krill: nuove informazioni sul loro ciclo vitale e la loro capacità di adattamento all'ambiente

Euphausia superba, Meganyctiphanes norvegica and Thysanoessa inermis are three krill species. The first one is typical of the Antarctic region while the other two are common in the North Atlantic. In their specific environment they all play crucial roles in the food web and are characterized by a great abundance in terms of biomass. Their ecologically fundamental role makes it crucial to increase the knowledge of their life cycle, adaptation strategies and responses to environmental changes and human activities. The aim of this dissertation is to create and annotate a de novo transcriptome assembly for the three krill species, to explore their gene expression levels across different developmental stages and their responses to different environmental conditions, allowing for a comparative and physiological study The present study can be subdivided into three main parts: i) a preliminary investigation focusing on the efficiency and quality of already existing strategies for de novo transcriptome assembly of non-model organisms; ii) a second part consisting in the identification and application of the best transcriptome assembly strategy; iii) a final step during which I analyze all the results and collected them in the first comparative analysis of the species under study. The quality assessment of the reconstructed transcriptomes confirmed the reliability of the strategy applied. Furthermore, the availability of these new references suggested the possibility to perform a detailed investigation of differential expression patterns, which highlighted the presence of genes that were already described in literature together with new ones likely involved in crucial steps of the species life cycle. The comparison between differential expression results across the different krill species highlighted the presence of genes involved in the same functions and processes that appear to be differentially expressed for each krill. Together with these analyses, an orthology inference was performed, allowing the identification of transcripts showing an orthology relationship with genes from other species. By cross-referencing all these results, I identified a series of sequences showing an orthology relationship across all the three krill species, suggesting that those transcripts derived from a common ancestor. The new results produced for E. superba, then, allowed me to extend the KrillDB website, now named KrillDB2, which provides the most complete source of information about the krill transcriptome and will offer a reliable starting point development of novel ecological studies. In conclusion, this work highlighted the importance of a precise transcriptome reconstruction to maximize the potential to describe the expression profile and transcriptional phenotypes of a species in the most accurate way; moreover, the results produced in term of computational approaches have improved our possibilities in the field of transcriptomic studies and represent a starting point for a deeper and more accurate fine-tuning of the available procedure. From a genetic and ecological point of view, this work represents a basis for future functional studies on krill adaptation capabilities and the underlying molecular mechanisms.

Euphausia superba, Meganyctiphanes norvegica e Thysanoessa inermis sono tre specie di krill. La prima è una specie tipica della regiona antartica, mentre le altre due specie sono comunemente diffuse nel Nord Atlantico. Nei loro rispettivi ambienti queste specie rivestono ruoli cruciali all'interno della catena trofica e sono particolarmente abbondanti in termini di biomassa. Il loro ruolo ecologicamente fondamentale richiede una conoscenza approfondita del loro ciclo di vita, delle strategie di adattamento e delle risposte ai cambiamenti ambientali. Lo scopo di questa tesi è ricostruire "de novo" e annotare il trascrittoma di queste specie, per esplorare i loro livelli di espressione genica attraverso diversi stadi di sviluppo e le loro risposte a diverse condizioni ambientali, consentendo uno studio comparativo e fisiologico tra le specie. A tale scopo, gli step fondamentali possono essere riassunti come di seguito: i) un'indagine preliminare incentrata sull'efficienza e sulla qualità delle strategie già esistenti per l'assemblaggio de novo del trascrittoma di organismi non modello; ii) una seconda parte consistente nell'identificazione e applicazione della migliore strategia di assemblaggio del trascrittoma; iii) una fase finale durante la quale ho analizzato tutti i risultati, usando queste informazioni per effettuare un primo confronto tra le specie oggetto di studio. L'analisi della qualità dei trascrittomi ricostruiti ha dimostrato l'affidabilità e il successo della strategia applicata. Inoltre, la disponibilità di queste nuove risorse ha suggerito la possibilità di effettuare un'indagine dettagliata sui modelli di espressione differenziale, che ha evidenziato la presenza di geni già descritti in letteratura insieme a nuovi geni probabilmente coinvolti in fasi cruciali del ciclo di vita della specie. Il confronto tra i risultati di espressione differenziale tra le diverse specie di krill ha evidenziato la presenza di geni coinvolti nelle stesse funzioni e processi che sembrano essere differenzialmente espressi per ogni krill. Contestualmente a queste analisi, per ogni trascrittoma sono state individuate sequenze che mostrano una relazione di ortologia con sequenze provenienti da altre specie tassonomicamente vicine. Incrociando i rispettivi risultati di ciascuna specie di krill analizzata in questo studio, ho identificato una serie di sequenze che mostrano una relazione di ortologia tra tutte e tre le specie di krill, suggerendo che questi trascritti derivano da un antenato comune. I nuovi risultati prodotti per E. superba, inoltre, mi hanno permesso di estendere il database KrillDB, ora KrillDB2, che fornisce la fonte più completa di informazioni sul trascrittoma del krill e rappresenta un punto di partenza per lo sviluppo di nuovi studi ecologici. In conclusione, questo lavoro ha evidenziato l'importanza di una ricostruzione accurata e completa del trascrittoma di una specie per migliorare la possibilità di descrivere il profilo di espressione nel modo più accurato e realistico; inoltre, i risultati prodotti in termini di approcci computazionali hanno migliorato le nostre possibilità nel campo degli studi trascrittomici e rappresentano un punto di partenza per ulteriori miglioramenti e perfezionamenti delle procedure attualmente disponibili. Da un punto di vista genetico ed ecologico, questo lavoro rappresenta una base per futuri studi funzionali sulle capacità di adattamento del krill e sui meccanismi molecolari sottostanti.