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Linking viruses to their prokaryotic hosts in deep waters of the northeastern subtropical Atlantic Ocean
Thomas Griessler
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Gerhard Herndl
DOI
10.25365/thesis.19061
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29088.40099.692061-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Bedeutung von Prokaryoten und deren Viren für biogeochemische Kreisläufe in marinen Ökosystemen wurde in den 1980er Jahren entdeckt. Prokaryoten (Archaea und Bacteria) nehmen gelöstes, organisches Material (engl. dissolved organic carbon = DOC) auf und führen es somit höheren trophischen Levels im Nahrungsnetz zu (“microbial loop”). Viren lysieren Prokaryoten (lytischer Zyklus) oder sie integrieren ihre Erbsubstanz in das Wirtsgenom, wo der einzelne Virus als so genannter Prophage weiter existiert und durch Zellteilung an Tochterzellen weitergegeben wird (lysogener Zyklus). Beim lytischen Zyklus wird DOC freigesetzt, welches somit verfügbar wird für andere Prokaryoten, man nennt diesen Mechanismus „viral shunt“. Der lysogene Zyklus hingegen scheint unter Bedingungen niedriger Wirtsabundanz und -aktivität bevorzugt zu werden, kann aber zum lytischen Zyklus wechseln, wenn sich die Bedingungen ändern bzw. wenn es von außen induziert wird. Im Rahmen der MOCA cruise im Oktober 2010 wurden Proben an 7 Stationen mit jeweils 6 unterschiedlichen Tiefenstufen genommen und mithilfe von Inkubationsexperimenten, Flow Cytometer und molekularbiologischen Methoden untersucht. Dabei wurden u. A. Abundanzen von Prokaryoten und Viren, lytic viral production (VP), frequency of infected cells (FIC) und frequency of lysogenic cells (FLC) ermittelt. Zusätzlich wurde terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) und randomly amplified polymorphic DNA-PCR (RAPD-PCR) durchgeführt, um Prokaryoten bzw. Viren zu charakterisieren und die unterschiedlichen Stationen und Tiefen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung miteinander zu vergleichen. Andere Parameter, welche im Zuge der Cruise ermittelt wurden, wie beispielsweise prokaryotic heterotrophic production (PHP), Sauerstoff- und Nährstoffkonzentrationen, Temperatur etc. wurden ebenfalls in die Auswertung miteinbezogen. Rangkorrelationen, Vergleiche der 4 Tiefenstufen mittels t- bzw. Mann-Whitney-test sowie Mantel tests wurden berechnet. Wie erwartet, nahmen die Abundanzen von Prokaryoten und Viren an jeder Station mit zunehmender Tiefe exponentiell ab, weiters waren beide miteinander positiv korreliert. Die Anzahl an Viren schwankte stärker als die Anzahl der Prokaryoten, was darauf hinweist, dass virale Abundanz einer nicht so engen Kontrolle unterworfen ist. Der Grund für die entdeckte Zunahme von FIC mit der Wassertiefe könnte eine geringere Zahl an Protisten in der Tiefe sein. VP korrelierte positiv mit der Anzahl an Prokaryoten und mit PHP, da eine höhere Zahl aktiver Zellen mehr Viren produzieren können. Von den verschiedenen Gruppen, die am Flow Cytometer hinsichtlich Fluoreszenz unterschieden werden können, waren Prokaryoten mit geringem Nukleinsäureanteil (LNA) positiv korreliert mit PHP. Dies weist darauf hin, dass LNA-Prokaryoten einen wichtigen Beitrag zur PHP in oligotropher, offener See leisten. Am häufigsten waren Viren mit mittlerer Fluoreszenz (Vir MED), welche auch in anderen Studien sehr zahlreich in der pelagischen Tiefsee waren. Im Gegensatz dazu scheinen Viren mit niedriger Fluoreszenz (Vir LOW) in Küstenregionen zu dominieren. Sowohl die mikrobiellen Gemeinschaften von Prokaryoten als auch jene von Viren scheinen sich stärker bezüglich Tiefe zu unterscheiden als hinsichtlich geographischer Distanz. Da die apparent richness (AR) von Prokaryoten und die Anzahl viraler RAPD-PCR Banden über die Tiefe hinweg mehr oder weniger konstant bleibt, weist dies auf eine Änderung der Artenzusammensetzung bei einer gleichbleibenden Anzahl unterschiedlicher Taxa hin. Das Verhältnis von Prokaryoten zu Viren (VP-Ratio) korrelierte mit bakterieller AR, dies ist in Einklang mit der Auffassung, dass Viren eine hohe Vielfalt an Bacteria aufrechterhalten. VP, FIC, Temperatur, Salinität, Sauerstoff und anorganische Nährstoffe (Nitrat, Phosphat) ändern sich in den tiefsten untersuchten Wassermassen (ca. 3000 bis 5200 m) mit zunehmender Distanz der einzelnen Probestationen. Dies weist darauf hin, dass der Eintrag von sauerstoffreichen Wassermassen (LNADW, AABW) vom westlichen ins östliche Becken durch die Vema Fracture Zone (VFZ) einen Effekt auf mikrobielle und virale Gemeinschaften hat.
Abstract
(Englisch)
The importance of prokaryotes and their viruses for biogeochemical cycling in marine environments was discovered in the 1980s. Prokaryotes (Archaea and Bacteria) take up dissolved organic carbon (DOC) and make it available for higher trophic levels of the food web (“microbial loop”). Viruses infecting prokaryotes either lyse their hosts (lytic cycle) or integrate into the host genome, where they are passed on to daughter cells (lysogenic cycle). Through viral lysis, DOC is released, which is then available for other prokaryotes, a mechanism called “viral shunt”. Lysogeny, on the contrary, is considered to be favored under conditions of low host abundance and activity and can switch to the lytic cycle again, when the conditions change. During the MOCA cruise in October 2010, samples were taken from 7 stations and depth layers and analyzed using incubation experiments and flow cytometry to gain knowledge about the abundance of prokaryotes and viruses, lytic viral production (VP), frequency of infected cells (FIC), frequency of lysogenic cells (FLC) and other parameters. In addition, terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) and randomly amplified polymorphic DNA-PCR (RAPD-PCR) were performed to fingerprint and to compare prokaryotic and viral communities, respectively. Other parameters determined aboard the ship such as prokaryotic heterotrophic production (PHP), oxygen and nutrient concentrations, temperature, etc. were also taken into account and rank correlation statistics, comparison of 4 different depth layers as well as mantel tests were carried out. As expected, prokaryotic and viral abundance decreased exponentially with depth and correlated positively with each other at all stations. The number of viruses shows higher variability, suggesting that viral abundance is less tightly controlled than prokaryotic abundance. The reason for the discovered increase of FIC with depth could be the occurrence of fewer predators in deeper waters. Moreover, the more prokaryotes that were infected, the lower their production, since viruses could influence the activity of their hosts. VP is positively linked to prokaryotic abundance and PHP, since more active cells can produce more viruses. From different populations distinguished by flow cytometry, prokaryotes with low nucleic acid-content (LNA) were correlated to PHP, suggesting that LNA-prokaryotes are important drivers of PHP in oligotrophic, open ocean. Medium fluorescence viruses (Vir MED) were most abundant, they were found in other studies to be dominant in pelagic, deep waters, whereas viruses with low fluorescence (Vir LOW) appear to dominate in coastal regions. The composition of both viral and prokaryotic communities seem to be stronger influenced by depth than by geographic distance. Since apparent richness (AR) of prokaryotes and number of viral bands at the same time remains more or less constant over depth, this indicates a potential shift of the communities with a constant number of different types of prokaryotes and viruses. The virus-to-prokaryote-ratio (VP-Ratio) is correlated to AR of Bacteria, suggesting that viruses maintain host diversity. The deepest investigated water layers (ca. 3000 to 5200 m) show some distinct patterns of change of specific parameters such as VP, FIC, temperature, salinity, oxygen and inorganic nutrients over geographic distance, indicating an effect on microbial and viral communities by input of oxygen-rich water from the western Atlantic basin through the Vema Fracture Zone (VFZ).
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Viruses Prokaryotes Atlantic Deep Sea DNA-fingerprinting Microbial communities Water masses Depth layers
Schlagwörter
(Deutsch)
Tiefsee Prokaryoten Viren Atlantik DNA-fingerprinting Mikrobielle Gemeinschaften Wassermasssen Tiefenstufen
Autor*innen
Thomas Griessler
Haupttitel (Englisch)
Linking viruses to their prokaryotic hosts in deep waters of the northeastern subtropical Atlantic Ocean
Paralleltitel (Deutsch)
Viren und deren prokaryotische Wirte in der Tiefsee des nordöstlichen, subtropischen Atlantik
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
69 S. : graf. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Gerhard Herndl
Klassifikation
42 Biologie > 42.94 Meeresbiologie
AC Nummer
AC09022647
Utheses ID
17077
Studienkennzahl
UA | 439 | | |