Phylogenetic and functional characterization of symbiotic bacteria in gutless marine worms (Annelida, Oligochaeta) [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Anna Blazejak

Blazejak.A

Informations

• Publié par: universitat_bremen
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 10
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Phylogenetic and functional characterization of
symbiotic bacteria in gutless
marine worms (Annelida, Oligochaeta)








Dissertation
zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
-Dr. rer. nat.-





dem Fachbereich Biologie/Chemie der
Universität Bremen
vorgelegt von


Anna Blazejak






Oktober 2005




Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit vom März 2002 bis Oktober 2005 am
Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen angefertigt.


















1. Gutachter: Prof. Dr. Rudolf Amann
2. Gutachter: Prof. Dr. Ulrich Fischer





Tag des Promotionskolloquiums: 22. November 2005

Contents

Summary ………………………………………………………………………………….… 1
Zusammenfassung ………………………………………………………………………… 2

Part I: Combined Presentation of Results

A Introduction .…………………………………………………………………… 4
1 Definition and characteristics of symbiosis ...……………………………………. 4
2 Chemoautotrophic symbioses ..…………………………………………………… 6
2.1 Habitats of chemoautotrophic symbioses .………………………………… 8
2.2 Diversity of hosts harboring chemoautotrophic bacteria ………………… 10
2.2.1 Phylogenetic diversity of chemoautotrophic symbionts …………… 11
3 Symbiotic associations in gutless oligochaetes ………………………………… 13
3.1 Biogeography and phylogeny of the hosts …..……………………………. 13
3.2 The environment …..…………………………………………………………. 14
3.3 Structure of the symbiosis ………..…………………………………………. 16
3.4 Transmission of the symbionts ………..……………………………………. 18
3.5 Molecular characterization of the symbionts …..………………………….. 19
3.6 Function of the symbionts in gutless oligochaetes ..…..…………………. 20
4 Goals of this thesis …….…………………………………………………………... 23
B Results and Discussion …….……………………………………………………. 25

1 Symbiotic community structure in gutless oligochaetes from different
Environments ………………………………………………………………………. 26
1.1 Host species ……………………………………………………..……………. 26
1.2 Molecular identification and phylogeny of the bacterial symbionts ………. 27
1.2.1 Gammaproteobacterial symbionts ……………………………………. 27
1.2.2 Deltaproteobacterial symbionts ……………………………………….. 30
1.2.3 Alphaproteobacterial s………………………………………. 34
1.2.3.1 Bacterial symbionts related to mitochondrial 16S rRNA
gene sequences ………………………………………………... 35
1.2.4 Spirochete symbionts ………………………………………………….. 37
1.3 Conclusions ……………………………………………………………………. 38
1.3.1 Phylogenetic diversity ………………………………………………….. 38
1.3.2 Functional aspects of the bacterial symbionts ………………………. 39
2 Metabolic diversity of bacterial symbionts ……………………………………….. 43
2.1 PCR based approaches ………………………………………………………. 43
2.1.1 CO fixation ……………………………………………………………... 43 2
2.1.1.1 Calvin- Benson-Bassham cycle ………………………………. 43
2.1.1.2 Reverse tricarboxylic acid cycle 45
2.1.2 Energy metabolism ……………………………………………………. 46
2.1.2.1 Sulfur energy metabolism ……………………………………… 46
2.1.2.2 Nitrogen energy metabolism …………………………………... 49
2.2 Comparative metagenomics …………………………………………………. 51
2.2.1 Bacterial artificial chromosome library construction and analysis …. 51
2.2.2 Thioautotrophic metabolism of the O. algarvensis symbiont ..…….. 54
2.2.2.1 Dsr gene cluster ………………………………………………… 56
2.2.2.2 Cbb gene cluster ……………………………………………….. 56
2.2.3 Novel genes …………………………………………………………….. 57
3 Outlook ………………………………………………………………………………. 58
C References ……………………………………………………………………… 61

Part II: Publications

A Contributions to the manuscript …………………………………………… 76
B Publications ………………. 77
1 Coexistence of bacterial sulfide oxidizers, sulfate reducers, and
spirochetes in a gutless worm (Oligochaeta) from the Peru margin …………. 77
2 Phylogeny of 16S rRNA, RubisCO, and APS reductase genes from gamma-
and alphaproteobacterial symbionts in gutless marine worms (Oligochaeta)
from Bermuda and Bahamas …………………………………………………….. 89
3 Metagenomic analysis of co-occurring symbionts in marine worms from the
Mediterranean ……………………………………………………………………… 117
4 Multiple symbioses with sulfur oxidizers, sulfate reducers and spirochetes in
two gutless marine worms (Oligochaeta) from Mediterranean sediments low
in sulfide ……………………………………………………………………………. 157
C List of Publications ..……………………….………………………………… 161 Summary
Summary

Symbioses between chemoautotrophic bacteria and eukaryotic hosts are
widespread in marine environments. In most chemosynthetic endosymbioses,
only a single, or at most two bacterial phylotypes co-occur within a host species.
In this study the phylogenetic and metabolic diversity of bacterial
endosymbionts in gutless marine worms (Annelida, Oligochaeta) from different
environments was investigated. Almost all host species harbor a
gammaproteobacterial sulfur oxidizer indicating the importance of these
Gamma 1 symbionts for the nutrition of the gutless oligochaetes. A second
gammaproteobacterial symbiont and deltaproteobacterial symbionts were
detected in hosts from coastal silicate sediments, while in hosts from calcareous
sands alphaproteobacterial symbionts were identified. Spirochetes were found in
hosts from both types of sediments.
The phylogenetic diversity of the bacterial symbionts mirrors their different
metabolic capabilities. The Deltaproteobacteria have been identified as sulfate
reducers and the secondary gammaproteobacterial symbionts are hypothesized
to be sulfur oxidizers. Key genes involved in oxidative and reductive sulfur
metabolism, CO fixation via the Calvin-Benson-Bassham (CBB) cycle, and 2
nitrogen metabolism were successfully detected. Based on phylogenetic
analyses it was possible to make potential assignments of genes to a respective
symbiont.
The use of comparative metagenomics gave first insights into the genome
of a gutless oligochaete symbiont. A contiguous sequence of 51 kb from a
bacterial artificial chromosome insert contained genes involved in significant
metabolic pathways for these symbioses such as sulfur oxidation and CO 2
fixation via the CBB cycle indicating that this sequence originated from a
thioautotrophic symbiont.
This study showed that the symbiotic community in marine gutless
oligochaetes with at least three and as many as six different symbiotic phylotypes
is much more complex than previously assumed. Despite the high phylogenetic
diversity, these associations are clearly specific and stable for most phylotypes
within a given host species.
1 Zusammenfassung
Zusammenfassung

Symbiosen zwischen chemoautotrophen Bakterien und eukaryontischen Wirten
sind weit verbreitet in marinen Lebensräumen. In den meisten
chemosynthetischen Endosymbiosen ist innerhalb einer Wirtspezies nur ein
einziger bakterieller Phylotyp zu finden oder es coexistieren höchstens zwei
Phylotypen.
In dieser Studie zur phylogenetischen und metabolischen Diversität der
bakteriellen Endosymbionten in darmlosen, marinen Würmern (Annelida,
Oligochaeta) wurden Spezies aus unterschiedlichen Habitaten untersucht.
Nahezu alle Wirtspezies beherbergen gammaproteobakterielle
Schwefeloxidierer, ein Hinweis auf die Bedeutung dieser Gamma 1 Symbionten
für die Ernährung der darmlosen Wirte. Ein zweiter gammaproteobakterieller
Symbiont sowie deltaproteobakterielle Symbionten wurden in Wirten aus
silikathaltigen Küstensedimenten detektiert, während in Wirten aus kalkhaltigen
Sedimenten alphaproteobakterielle Symbionten identifiziert wurden. Spirocheten
wurden in Wirten aus beiden Sedimenttypen gefunden.
Die phylogenetische Diversität der bakteriellen Symbionten spiegelt ihre
metabolischen Fähigkeiten wider. Die Deltaproteobakterien sind Sulfatreduzierer,
als Funktion der sekundären gammaproteobakteriellen Symbonten wird die
Schwefeloxidation vermutet. Verschiedene Schlüsselenzyme des oxidativen und
reduktiven Schwefelmetabolismus, der CO Fixierung mittels Calvin-Benson-2
Bassham (CBB) Zyklus, und des Stickstoffmetabolismus wurden in diesen
Symbionten erfolgreich detektiert. Phylogenetische Analysen der gefundenen
Schlüsselenzyme ermöglichten eine potentielle Zuordnung der Gene zu den
entsprechenden Symbionten.
Die Analyse einer Metagenomgenbank gewährte erste Einblicke in das Genom
eines Symbionten. So trug z.B. ein Klon ein 51 kb großes Insert mit Genclustern,
die maßgeblich für die Stoffwechselwege dieser Symbiosen, wie z.B.
Schwefeloxidation und CO Fixierung via CBB Zyklus, sind und auf einen 2
Ursprung aus einem thiotrophen Symbionten hinweisen.
Diese Studie hat gezeigt, dass die symbiontische Gemeinschaft in den
marinen, darmlosen Oligochaeten mit mindestens drei und höchstens sechs
unterschiedlichen Phylotypen komplexer ist als früher angenommen. Trotz der
hohen phylogenetischen Diversität sind diese Assoziationen eindeutig spezifisch
und für die meisten Phylotypen innerhalb eines Wirtes stabil.

2
<