Microbial communities in high altitude altiplanic wetlands in northern Chile [Elektronische Ressource] : phylogeny, diversity and function / vorgelegt von Cristina Inés Dorador Ortiz

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• Publié par: christian-albrechts-universitat_zu_kiel
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 34
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Microbial communities in high altitude
altiplanic wetlands in northern Chile:
phylogeny, diversity and function





DISSERTATION
Zur Erlangung des Doktorgrades
der Mathematisch-Naturwissenchaflichen Fakultät
der Christian-Albrechts-Universität
zu Kiel



vorgelegt von
Cristina Inés Dorador Ortiz
aus Antofagasta, Chile



Max Planck Institut für Evolutionsbiologie, Plön
IFM-GEOMAR, Kiel
Mai 2007
















Referent: Prof. Dr. Johannes F. Imhoff
Korreferent: Prof. Dr. Irma Vila
Tag der mündlichen Prüfung: 06. Juli 2007
Zum Druck genehmigt: 06. Juli 2007
Der Dekan

The work of this thesis was conducted between April 2004 and Mai 2007 in the
MPIL (now Max Planck Institute for Evolutionary Biology) in Plön under the supervision
of Dr. Karl-Paul Witzel and at Leibniz Institute for Marine Sciences (IFM-GEOMAR) in
Kiel under the supervision of Prof. Dr. Johannes F. Imhoff.
I received funds from the Deutscher Akademischer Austausch Dienst (DAAD) for
the realization of this thesis.

























TABLE OF CONTENTS

Summary ……………………………………………………………………………….1
Zusammenfassung ……………………………………………………………………...2
Resumen ………………………………………………………………………………..3
Thesis outline …………………………………………………………………………..5
1. Introduction ………………………………………………………………………….6
2. Materials and Methods ……………………………………………………………..22
3. Comparative analysis of bacterial and archaeal communities in different high altitude
wetlands in Northern Chile ……………………………………………………………35
4. Diversity of Archaea in environmental samples from Salar de Huasco ……………58
5. Diversity and composition of photosynthetic bacterial communities in Salar de
Huasco …………………………………………………………………………………74
6. Salt tolerance of enrichment cultures of ammonia oxidizing bacteria from Salar de
Huasco ………………………………………………………………………………..102
7. Molecular analysis of halophilic bacteria isolates from Salar de Huasco …………115
8. Discussion …………………………………………………………………………124
Conclusion ……………………………………………………………………………133
Individual scientific contributions to multiple-author publications ………………….134
References ……………………………………………………………………………136
Acknowledgements …………………………………………………………………..163
Curriculum Vitae ……………………………………………………………………..165
Erklärung ……………………………………………………………………………..166
Appendix ……………………………………………………………………………..167 Summary
SUMMARY

The phylogeny, diversity and function of microbial communities from several
altiplanic wetlands was examined using an array of different but complimentary
techniques. Results highlighted that microbial diversity exhibited a specific pattern in
each wetland. Bacteria were dominant over Archaea in both freshwater and saline
systems. Bacterial and archaeal diversity were both higher in sediment than in water
samples. Lago Chungará, Laguna de Piacota and Bofedal de Parinacota are freshwater
wetlands located at high altitude (>4400 m) in the north of Chile. They support microbial
communities closely related to psychrophilic bacteria (e.g. Psychrobacter sp.,
Pseudomonas congelans, Flavobacterium psychrolimnae) in water and Proteobacteria
and Actinobacteria in sediment samples. Salar de Huasco and Salar de Ascotán are
located further south at an altitude of 3800 m and exhibit a wide range of salinities
-1(varying between freshwater to 120 gL of total dissolved salts). Microbial communities
in these sites were characterized by bacteria tolerant to salt (e.g. halophilic Bacteria:
Halomonas sp., halophilic Archaea: Halorubrum sp.). Cytophaga-Flavobacteria-
Bacteroidetes was the most frequent group reported at the sites. In-depth studies
focussing on the Salar de Huasco revealed a particular diversity of Archaea, characterized
by a number of sequences related to uncultured groups and ammonia-oxidizing
Crenarchaeota. Cyanobacteria from the Salar de Huasco were closely related to
Cyanobacteria previously described from Antarctica. Isolates of halophilic bacteria and
phototrophic bacteria displayed an elevated tolerance to different salt concentrations. The
particular microbial diversity found in high altitude wetlands provides a new and exciting
area of research.
1 Zusammenfassung
ZUSAMMENFASSUNG

Die Phylogenie, Diversität und Funktion von mikrobiellen Gemeinschaften aus
verschiedenen altiplanischen Feuchtgebieten wurde mit mehreren Techniken untersucht.
Die Ergebnisse zeigen dass an jedem Standort die mikrobielle Diversität eine spezifische
Struktur hat. Bakterien und Archaeen Diversität war höher im Sediment als in den
Wasserproben. Lago Chungará, Laguna de Piacota und Bofedal de Parinacota sind auf
über 4400 Metern Höhe gelegene Süßwasser-Feuchtgebiete in Nord-Chile. Die
mikrobiellen Gemeinschaften waren im Wasser verschiedenen psychrophilen Bakterien
(z. B. Psychrobacter sp., Pseudomonas congelans, Flavobacterium psychrolimnae) und
im Sediment Proteobakterien und Actinobakterien ähnlich. Salar de Huasco und Salar de
Ascotán liegen südlich auf 3800 m Höhe und die Salinität des Wassers schwankt in den
-1verschiedenen Habitaten von Süßwasser bis 120 gL Salz gelöst im Wasser. Die
mikrobielle Diversität an diesen Standorten ist charakterisiert durch salztolerante
Bakterien (z.B. halophile Bakterien der Gattung Halomonas und halophile Archaeen der
Gattung Halorubrum. Vertreter der CFB-Gruppe (Cytophaga-Flavobacterium-
Bacteroidetes) waren in den Klonbibliotheken häufig. Im Salar de Huasco war die
Diversität von Archaeen besonders hoch, und es wurden zahlreiche Sequenzen gefunden,
die nicht kultivierten Archaeen und Ammoniak-oxidierenden Crenarchaeota ähnlich
waren. Die Cyanobacterien aus dem Salar de Huasco waren sehr ähnlich mit
Cyanobacterien aus der Antarktis. Isolate von halophilen Bakterien und phototrophen
Bakterien zeigten eine hohe Toleranz gegenüber verschiedenen Salzkonzentrationen. Die
besondere mikrobielle Diversität dieser Feuchtgebiete im Hochland der Anden bietet ein
neues und spannendes Forschungsgebiet.
2 Resumen
RESUMEN

La filogenia, diversidad y función de las comunidades microbianas fueron
estudiadas en varios humedales altiplánicos con técnicas distintas y complementarias.
Los resultados señalan que la diversidad microbiana exhibe un patrón específico en cada
humedal. Bacteria fue dominante sobre Archaea en sistemas de agua dulce y salinos. La
diversidad de Bacteria y Archaea fue mayor en las muestras de sedimento que en las de
agua. El lago Chungará, la laguna de Piacota y el Bofedal de Parinacota son humedales
de agua dulce ubicados a gran altura (>4400 m de altitud) en el norte de Chile. Estos
sistemas contienen comunidades microbianas altamente relacionadas con bacterias
psicrófilas en agua (por ejemplo, Psychrobacter sp., Pseudomonas congelans,
Flavobacterium psychrolimnae) y en sedimentos Proteobacteria y Actinobacteria. El salar
de Huasco y el salar de Ascotán están ubicados hacia el sur a una altura de 3800 m de
-1altitud y muestra un amplio rango de salinidad (desde agua dulce hasta 120 gL de sales
totales disueltas). Las comunidades microbianas en estos sitios están caracterizadas por
ser tolerantes a la sal (por ejemplo, Bacteria halófila: Halomonas sp., Archaea halófila:
Halorubrum sp.). Cytophaga-Flavobacteria-Bacteroidetes fue el grupo más frecuente en
los sitios estudiados. Los estudios realizados en el Salar de Huasco revelaron una
diversidad particular de Archaea caracterizada por un número de secuencias altamente
relacionadas con grupos no cultivados y con Crenarchaea oxidadoras de amonio. Las
cianobacterias del Salar de Huasco presentaron altas similitudes con las cianobacterias
previamente descritas en la Antártida. Los aislados de bacterias halófilas y bacterias
fototrófas muestran una alta tolerancia a la sal a distintas concentraciones. La particular
3 Resumen
diversidad microbiana encontrada en humedales altoandinos proporciona una nueva e
interesante área de investigación.
4 Thesis outline
THESIS OUTLINE

Here, I use PCR-DGGE as a fingerprinting tool to compare microbial patterns
from samples and clone libraries of 16S rRNA gene and amoA gene (Archaea and
Bacteria) to infer phylogenetic relationships between the sequences. Bacteria and
archaeal communities of Lago Chungará, Laguna de Piacota, Bofedal de Parinacota,
Salar de Huasco and Salar de Ascotán are described using clone libraries of 16S rRNA
gene (Chapter 3). Chapter 4 focuses on four sites of the Salar de Huasco and describes
the composition of archaeal communities and the presence of archaeal amoA. Chapter 5
describes diversity and composition of photosynthetic bacteria including Cyanobacteria
and phototrophic bacteria. Chapter 6 reports salt-tolerant enrichment cultures