C3

Der Lebenszyklus des Tiefsee-Metaorganismus Bathymodiolus: Übertragung symbiotischer Mikroorganismen und deren Besiedlung des Kiemengewebes

Chemosynthetische Symbiosen entwickelten sich unabhängig voneinander mehrere Male in mindestens neun Tierphyla und aus mindestens 12 verschiedenen freilebenden Bakterienlinien. Sie wurden zuerst in hydrothermalen Quellen in der Tiefsee entdeckt und sind auch in flachen marinen Habitaten vertreten. Bathymodiolus Miesmuscheln sind eine der häufigsten Mitglieder der biologischen Gemeinschaften an marinen hydrothermalen Quellen und kalten Quellen. Die Wirte benötigen eine dichte Gemeinschaft von intrazellulären symbiotischen Bakterien in ihrem Kiemenepithel. Diese Bakterien verwenden reduzierte Chemikalien aus der Umwelt, wie zum Beispiel Schwefelwasserstoff und Methan, als Energiequelle um Kohlendioxid oder Methan in Biomasse zu fixieren, die sie weitergeben um ihre Wirte zu ernähren. Bathymodiolus Miesmuscheln sind ideal um die Funktion und den Lebenszyklus von symbiotischen Verbänden zu untersuchen, da ihre Symbiontengemeinschaft relativ einfach aufgebaut ist. Viele Bathymodiolus Arten beherbergen zwei gemeinsam auftretende Symbionten. Darunter eine schwefeloxidierende Art und eine methanoxidierende Art. Jedoch haben aktuelle Studien und unsere vorläufigen metagenomischen Ergebnisse bewiesen, dass die Diversität innerhalb dieser beiden Symbiontenarten größer ist als bisher auf der Basis von 16S-rRNA-Genanalysen angenommen.

Mit diesem Projekt beabsichtigen wir die Diversität der Symbionten und ihre Effekte auf die Funktion, Entwicklung und die Evolution des Metaorganismus zu erforschen. Unsere Forschung wird sowohl die Untersuchung der Verteilung von Bakterienstämmen innerhalb des Kiemengewebes einzelner Miesmuscheln (Teilprojekt 1), als auch die Charakterisierung der Symbiontenbevölkerungsstruktur über mehrere einzelne Muscheln (Teilprojekt 2) beinhalten.

In unserem ersten Teilprojekt werden wir die Diversität der bakteriellen Stämme innerhalb der einzelnen Muscheln untersuchen um besser zu verstehen wie sich ihr Genom und Transkriptom unterscheidet und dadurch auch die Funktionen innerhalb des Metaorganismus. Dazu werden modernste genomische Technologien, einschließlich Einzel-Zell-Genomik und einer neuen Methode namens Hi-C Metagenomik, verwendet. Mit diesen Technologien werden wir in der Lage sein bestimmte Symbiontenstämme mit mobilen genetischen Elementen wie Phagen und Insertionssequenzen in Verbindung zu bringen, wodurch wir einen Einblicke darüber erhalten werden wie sich diese Stämme entwickelt haben. Mit Hilfe von in-situ-Imaging planen wir die Verteilungsmuster unterschiedlicher Bakterienstämme über einen ontogenetischen Gradienten innerhalb des Wirtkiemengewebes zu analysieren, was dazu beitragen wird zu verstehen wie das Kiemenepithel im Laufe seiner Lebenszeit von den Symbionten kolonisiert wird.

In unserem zweiten Teilprojekt werden wir die genomische Vielfalt und Evolution auf dem Level der Symbiontenpopulationsstufe mit Hilfe von hochauflösenden molekularbiologischen Methoden untersuchen. Diese tiefgehenden metagenomischen Daten werden es uns ermöglichen die Effekte des Symbiontenübertragungsmodus, der Kolonisierungsgeschichte über die Lebensdauer der Muschel und der Symbiontendiversifizierung innerhalb eines Wirtindividuums, zu entschlüsseln. Dabei handelt es sich um die Hauptfaktoren, die die Vielfalt der Symbiontengemeinschaft in allen Wirt-Mikroben-Verbänden bestimmen. Mit hochauflösenden Metagenomen werden wir die selektiven Kräfte untersuchen, die auf Symbiontengenome wirken, indem wir die Verhältnisse von nicht-synonymen zu synonymen Substituten quantifizieren.

Diese Analyse wird helfen die genomischen Mechanismen der Symbiontenanpassung an einen wirtspezifischen Lebensstil zu enthüllen. Unsere Forschung wird neue Einblicke in die Ökologie und die evolutionäre Dynamik der Symbiontenakquisitions- und übertragungsmodus geben, sowie ein besseres Verständnis der Rolle der Symbiontenvielfalt in der Ökologie und Evolution von Metaorganismen.

Wissenschaftler

Rebecca Ansorge

Doktoranden , Assoziierte Nachwuchswissenschaftler
Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie

Dr. Anne Kupczok

Postdoktoranden, Assoziierte Nachwuchswissenschaftler
Universität Kiel Institut für Allgemeine Mikrobiologie