Förderung durch

Interaktionen in komplexen Gemeinschaften Interaktionsebenen hochentwickelter Symbiosen

Forschungsabteilung Mikrobielle Ökologie und Diversitätsforschung (MÖD)

Bakterielle Interaktionen

Marcus Tank, Petra Henke, Johannes Sikorski und Jörg Overmann Path

obio

logi

e

Phototrophe Bakterienmatten heißer Quellen (40°-70° C)

a) Langzeitstabiles, rein prokaryotisches Habitat (~300 Taxa)

b) Weltweit einzigartig diverse Phototrophen-gemeinschaft (6 Phyla)

Wachstumsversuche in Kokulturen unter verschiedenen Bedingungen

Interaktionen als Schlüssel zur Kultivierung

Phototrophe Konsortien sind hochspezifische Kooperative zweier Vertreter unterschiedlicher bakterieller Phyla

Liu et al., 2013

Zentralbakterium (Betaproteobakterium)

Epibiont (Grüne Schwefelbakterien)

„Chlorochromatium aggregatum“ (kolorierte REM-Aufnahme)

• Essentielle Alginathülle wird kooperativ synthetisiert • Epibiont transferiert „Virulenz“-Proteine zum Zentralbakterium zur

Alginatmaturierung

a) Zelluläre Interaktion: Wie arbeiten die Konsortienpartner zusammen?

Kontrolle Alginatlyase

Polymer Alginat umgibt „C. aggregatum“

Lokalisation + Transport von „Virulenz“-Proteinen (D-STORM)

BCHl

DAPI

IMF

Über-lagerung

5 µm

Cag1919 Cag0614 Cag0616 Cag1919

Modell der Alginatproduktion

Verlust der Alginathülle zerstört die Konsortien

• CO2-Aufnahme und C-Weitergabe sind licht- bzw. N-abhängig

Phaco DAPI

Konsortium

14N12C 15N12C

nanoSIMS

Cts

200

150

100

50

0

[C]

13CO2

23.2%

[C]

15N2

15NH3 76.8%

[C]

[N] 13CO2

[C]

norm. N-Konz. keine C-Weitergabe

13CO2

1.1%

98.9%

keine N2-fixierung trotz nif Genen keine CO2-Aufnahme/Tod

niedrige N-Konz. erhöhte C -Weitergabe

NH3 wird von beiden Partnern verwendet

14CO2

Liu et al., 2013 Zeit [h]

Aktiv

ität [

cpm

* (n

g RN

A)-1

]

Licht

Dunkel

NanoSIMS: Aufnahme und Weitergabe von Kohlen- bzw. Stickstoff

Kohlenstoffweitergabe in Abhängigkeit verschiedener Stickstoffsubstrate

APC-

Cy7-

A

FSC-A

Beta

prot

eoba

kter

ien

Chlo

robi

16S rDNA Stammbäume der Konsortien-Partner. = Bootstrap-Werte >80%

Zentralbakterien Epibionten

Konsortien-Sortierung im FACS mittels BChl-Autofluoreszenz.

b) Metabolische Interaktion: Welche Substanzen werden ausgetauscht?

c) Evolution: Co-Evolution zwischen den Partnerorganismen

• Phylogenetische Analysen deuten auf mögliche Co-Evolution

Identifizierung von Interaktionpartnern über Netzwerkmodelle

Stammsammlung

Beschreibung der (neuen) phototrophen Bakterien

Physikalisch-chemisch

„-omics“

In-situ Co-Kultivierung Kultivierung Methodenansatz:

Physiologische Interaktionen von Chloracidobacterium thermophilum

Cab. thermophilum -photoheterotroph-

Anoxybacillus sp. -chemotroph-

Synechococcus sp. -photoautotroph-

O2, Vitamin B12

Organisches Material

Red. S-Verb.

O2-Verbrauch

Vitamin B12

Aminosäuren

Biotin?

Acetat, Succinat

Ergebnisse:

c) Ganz neuartige Phototrophe, z.B. Chloracidobacterium thermophilum und „Ca. Thermochlorobacter aerophilum“

Meiothermus sp. -chemotroph-

Netzwerkmodell potentieller Partner

Unkultivierte Biodiversität

Hochdurchsatz-Kultivierung:

16S rDNA Gen-Amplicon Sequenzierung

Negativkontrolle Wachstum

verschiedene Medien, Zeit, Zellzahlen

Stammsammlung 2, 11, 12, 16, 39

34,37

Anzahl Partner

Anza

hl d

er F

älle

SILVA Taxonomie 7 phylotypen: „Ca. Mycoplasma haemobos“ (PT 2,11) Mycoplasma wenyonii (PT 12, 16, 39) Veillonella sp. (PT 34,37)

Interaktionsanalysen

OV 20/10-2 SAW: Lung Microbiota 2016-2020 DE-FG02-94ER20137 S.H. 2015-2020