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Novel strategies of maintaining and transmitting specific microbial symbionts in marine flatworms
Ulrich Dirks
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Jörg Ott
DOI
10.25365/thesis.18864
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29721.40332.245861-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Tiere mit intrazellulären mikrobiellen Symbionten kommen in zahlreichen Lebensräumen vor. In den bekannten Fällen profitieren die Wirtstiere von den umfangreichen metabolischen Fähigkeiten der Symbionten, die es ihnen ermöglichen, zusätzliche Nahrungs- und Energiequellen zu nutzen. Eine besondere Herausforderung in der Erforschung von Tier-Mikroben Symbiosen ist die Identifikation der Mechanismen, die es dem Wirt erlauben (1) spezifische Partnerschaften mit Symbionten in speziellen Wirtszellen – den Bakteriozyten – einzugehen und aufrecht zu halten, sowie (2) diese intrazellulären Symbionten während der Fortpflanzung an die Nachkommenschaft weiterzugeben (Transmission). Bislang war die Erforschung der de novo Formation von Bakteriozyten (die Differenzierung der Wirtszelle inklusive der Aufnahme von Symbionten) dadurch limitiert, dass dieser Prozess in den verfügbaren Modellsystemen auf frühe, temporäre Entwicklungsstadien begrenzt ist. In Bezug auf die Transmission von Symbionten sind zwei grundlegende Strategien bekannt: horizontale Transmission (Symbionten werden von jeder Wirtsgeneration neu aus der Umwelt aufgenommen) oder vertikale Transmission (Symbionten werden von den Eltern direkt an den Nachwuchs weitergegeben). Strikt-vertikale Transmission ist in der Regel verbunden mit Kodiversifikation der Partner (kongruente Topologie der Stammbäume von Wirt und Symbiont).
Das zentrale Forschungsobjekt dieser Arbeit waren mund- und darmlose marine Platyhelminthen der Gattung Paracatenula und deren bakterielle Symbionten, die eingebettet in Bakteriozyten den Großteil des Tierkörpers füllen. Im Speziellen wurde untersucht, wie diese Tiere ihre Symbiose während Wachstum und Entwicklung aufrecht halten und die Symbionten bei der Fortpflanzung an die Nachkommenschaft weitergeben werden. Die im Folgenden zusammengefassten Ergebnisse zu diesen Fragestellungen erlauben ein sehr viel besseres Verständnis der Paracatenula Symbiose und ermöglichen zusätzlich interessante Rückschlüsse auf andere symbiotische Beziehungen bis hin zur Evolution der eukaryotischen Zellorganellen.
Der erste Teil dieser Doktorarbeit ist die Beschreibung einer neu entdeckten Paracatenula Art, Paracatenula galateia, die sich als äußerst gut geeignet für weitere in dieser Studie durchgeführte Experimente herausstellte. P. galateia konnte zuverlässig im Freiland gesammelt und sogar für einige Wochen kultiviert und inkubiert werden. Dies ist bislang mit keiner anderen Paracatenula Art gelungen. Weiterhin zeigte sich eine vergleichsweise gute Handhabbarkeit der Tiere bei der Anwendung verschiedener Färbe- und Markierungstechniken.
Eine wichtige Erkenntnis ergab sich durch die phylogenetische Analyse von mehreren Paracatenula-Arten und deren Symbionten. Diese zeigte nicht nur, dass in den Bakteriozyten der Würmer die ersten bekannten thiotrophen alphaproteobacteriellen Symbionten leben, sondern es spiegelt sich auch eine strikte, seit mehreren hundert Millionen Jahren andauernde Koevulotion von Wirt und Symbiont wieder.
Durch Markierungsexperimente mit Thymidin-Analoga (BrdU und EdU) konnten S-Phase Zellen in P. galateia identifiziert und deren Schicksale verfolgt werden. Dabei zeigte sich, dass offenbar alle Zellen in den Tieren ausschließlich von so genannten Neoblasten (kontinuierlich proliferierende pluripotente Stammzellen in Platyhelminthen) abstammen. Im speziellen konnte dann dokumentiert werden, dass erst mehrere Tage nach dem S-Phase Markierungspuls ein Signal in den Bakteriozyten und vielen anderen differenzierten Zelltypen nachweisbar ist. Diese Verzögerung rührt daher, dass die Tochterzellen der Neoblasten Zeit benötigen um im Körper des Tieres zu ihrer Zielposition zu wandern und zu differenzieren. Die kontinuierliche de novo Bildung von Bakteriozyten ist einzigartig unter den bekannten Symbiosen und macht P. galateia zu einem vielversprechenden Modellsystem um den Entwicklungsprozess dieses besonderen Zelltyps im Detail zu erforschen.
Als erstaunlich erwies sich auch die Symbionten-Transmissions-Strategie der Tiere. P. galateia vermehrt sich hauptsächlich (vielleicht ausschließlich) asexuell durch Paratomie (transversale Teilung, bei der die Differenzierung neuer, zu ersetzender Organe vor der Trennung vom Elterntier eingeleitet wird) oder durch die Regeneration versehentlich abgerissener Fragmente. Mit diesen Fragmenten übertragen die Wirte große Mengen an Symbionten. Diese Art der vertikalen Transmission unterscheidet sich besonders dadurch von allen anderen beschriebenen, dass die Symbionten völlig unbehelligt in ihren gewohnten Lebensraum, dem inneren der Bakteriozyten, verbleiben. In allen anderen untersuchten Symbiosen mit Bakteriozyten müssen die Symbionten, selbst wenn die Transmission vertikal erfolgt, von der elterlichen Bakteriozyte in eine Keimzelle oder direkt zur Nachkommenschaft wechseln. Dabei kommt es immer wieder zum Kontaktverlust der Partner und gegebenenfalls zum Symbionten-Wechsel im Falle dass andere Mikroben, die nicht direkt von den Eltern kommen, aufgenommen werden. Weiterhin birgt die Weitergabe geringer Symbionten-Mengen aus einer kleinen, abgeschlossenen Population das Risiko der Akkumulation schädlicher Mutationen in diese Population. Dies wird als „Transmissions-Flaschenhals“ bezeichnet. Im Falle von P. galateia kommen all diese Transmissionsrisiken nicht zum Tragen, da zahlreiche Symbionten im Inneren der Bakteriozyten direkt an die asexuelle Nachkommenschaft weitergegeben werden. Diese besondere Art der Transmission könnte die strikte Kodiversifikation von Paracatenula Wirten mit ihren jeweiligen Symbionten erklären.
Beides, die wiederholte de novo Bildung der Bakteriozyten und deren Transmission an die asexuellen Nachkommen in P. galateia reflektieren den hohen Grad an Symbionten-Integration in das Entwicklungsprogramm des Wirtes. Die weitere Erforschung dieser besonders engen Partnerschaft verspricht nicht nur ein besseres Verständnis von der Interaktion zwischen Tier und Bakterie, sondern könnte auch neue Erkenntnisse über die Evolution von Zellorganellen eröffnen.
Abstract
(Englisch)
Animals engaged in obligate intracellular symbiosis with microbes occur in a wide range of habitats. In the known cases the animal hosts profit from the metabolic capabilities of their symbionts which enable them to utilize additional food and energy resources. A major challenge in animal-microbe symbiosis research is to identify the mechanisms which allow hosts (1) to selectively establish and maintain associations with microbial symbionts inside specific host cells – the bacteriocytes - and (2) to pass these symbionts to the offspring during reproduction (transmission). To date, the investigation of bacteriocyte de novo formation (host cell differentiation and uptake of symbionts) was limited by the fact that this process is restricted to early, temporary developmental stages in the available animal model systems. Related to symbiont transmission two principal modes are known: horizontal transmission (each host generation takes up the symbionts anew from the environment) and vertical transmission (the parents transfer the symbionts directly to the offspring). Strict vertical transmission is usually connected with codiversification of the partners (congruent topology of the phylogenetic trees from host and symbiont).
The central objects of research in this thesis were mouth- and gutless marine Platyhelminthes of the genus Paracatenula and their bacterial symbionts. The latter are embedded in bacteriocytes that fill up large parts of the worm´s body. In particular it was analyzed how these animals maintain their symbiosis during growth and development and how they transmit the symbionts to the offspring during reproduction. The results summarized hereafter allow a considerably better understanding of the Paracatenula symbiosis. In addition they contribute to the understanding of other symbiotic associations possibly right up to the evolution of eukaryotic cell organelles.
The first part of this thesis is the description of a newly discovered Paracatenula-species, Paracatenula galateia, which appeared to be well suited for further experiments that were conducted for this thesis. P. galateia could be sampled reliably in the field and even cultivated for up to several weeks, which was not possible with any other Paracatenula-species so far. In addition it appeared to be comparatively easy to handle during different staining and labeling procedures.
An important insight resulted from the phylogenetic analysis of numerous Paracatenula-species and their symbionts. It did not only identify the symbionts as the first known thiotrophic alphaproteobacterial symbionts, it furthermore revealed that hosts and symbionts coevolve since hundreds of million years.
We identified S-phase cells in P. galateia by applying pulse-labeling experiments with the thymidine-analogues BrdU and EdU and we traced their fates in pulse-chase experiments. The experiments revealed that apparently all cells in the animals exclusively derive from so called neoblasts (continuously proliferating pluripotent stem cells of Plathyhelminthes). It was documented in particular, that the S-phase label appears in bacteriocytes and many other differentiated cell types several days after the pulse-labeling. This delay is due to the time which neoblast daughter cells need to migrate and differentiate. The continued de novo formation of bacteriocytes in P. galateia is unique among all symbiosis models and makes this worm a promising model system to study the developmental detail of this exceptional cell type.
Astonishing was also the strategy of symbiont transmission observed in the animals. P. galateia reproduce predominantly asexually by paratomy (transverse fission during which differentiation of new organs occurs prior to separation from the parental animal; see introduction) and regeneration of accidently torn off fragments. Inside these fragments the host transmits numerous symbionts vertically. This kind of transmission is different from the described ones, since the symbionts permanently remain in their familiar environment, the bacteriocytes. In all other known cases of bacteriocyte possessing animals, the symbionts must translocate from the parental bacteriocyte to either a germ cell or directly to the offspring. This translocation bears the risk of detachment for the partners and may also result in host-switching in case other microbes, which do not directly come from the parent, are taken up by the offspring. Furthermore the transmission of low numbers of symbionts deriving from a small enclosed population can lead to an accumulation of deleterious mutations in this population. This effect is termed “transmission bottleneck”. In case of P. galateia all these transmission-risks do not come into effect since numerous symbionts inside of bacteriocytes are transmitted to the asexual offspring. This exceptional transmission strategy may explain the strict codiversification of Paracatenula hosts and their respective symbionts.
Both, the de novo formation of bacteriocytes and their transmission to the asexual offspring reflect a high degree of symbiont integration into the developmental programs of the Paracatenula-host. A further investigation of this especially-tight obligate mutualistic partnership promises not only a better understanding of the interaction between animal and microbe, but it could also open up new insights of eukaryotic cell organelle evolution.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
symbiosis flatworm Alphaproteobacteria intracellular transmission neoblast regeneration coevolution
Schlagwörter
(Deutsch)
Symbiose Plattwurm Alphaproteobakterien intrazellulär Transmission Neoblasten Regeneration Koevulotion
Autor*innen
Ulrich Dirks
Haupttitel (Englisch)
Novel strategies of maintaining and transmitting specific microbial symbionts in marine flatworms
Paralleltitel (Deutsch)
Neue Strategien der Aufrechterhaltung und Weitergabe von spezifischen mikrobiellen Symbionten in marinen Plattwürmern
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
109 S. : Ill., graf. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Lukas Schärer ,
Angela Douglas
Klassifikation
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines
AC Nummer
AC09022447
Utheses ID
16904
Studienkennzahl
UA | 091 | 444 | |