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Environmental regulation of microcystin genotype abundance and the resulting net production of the toxic heptapeptide microcystin among bloom-forming cyanobacteria

Veronika Ostermaier

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Rainer Kurmayer

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DOI

10.25365/thesis.30497

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30208.43509.311665-9

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Das von Blaualgen (Cyanobakterien) produzierte toxische Heptapeptid Microcystin (MC) rückte zunehmend in den Fokus öffentlichen Interesses, da die in Binnengewässern im Zuge einer Bildung von Algenblüten auftretenden hohen Konzentrationen dieses Toxins ein Gesundheitsrisiko für den Menschen darstellen können. Innerhalb einer Population kommen für gewöhnlich toxische und nicht-toxische Genotypen gemeinsam vor, wobei letztere durch den Verlust oder die Inaktivierung des MC Synthetase (mcy) Genclusters entstanden sind. Die Umweltfaktoren, welche die Genotypenzusammensetzung innerhalb eines Habitats regulieren, sind allerdings unbekannt. Die Entschlüsselung dieser Regulationsmechanismen ist in Bezug auf das Verständnis der Toxinproduktion in aquatischen Systemen eine große Herausforderung. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Umweltfaktoren, die die Verbreitung und die Abundanz von toxischen und nicht-toxischen Genotypen innerhalb planktischer Cyanobakterien beeinflussen, unter Berücksichtigung verschiedener räumlicher und zeitlicher Skalen zu identifizieren. Die quantitative real-time PCR (qPCR) ist als Methode der Wahl nicht nur höchst sensitiv, sondern ermöglicht auch die direkte Quantifizierung von toxischen und nicht-toxischen Genotypen aus Freilandproben. Die qPCR-Methode erlaubt es, Schlussfolgerungen über die Rolle der Umweltfaktoren zu ziehen, die die MC Genotypenzusammensetzung und die daraus resultierende MC Produktion regulieren. Im ersten Kapitel wurden die Abundanz und der Anteil des MC produzierenden Genotyps in Populationen des Cyanobakteriums Microcystis in fünf verschiedenen Binnengewässern in Uganda (Ostafrika) in Abhängigkeit von Umweltfaktoren über den Verlauf eines Jahres untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass der Anteil des MC Genotyps durchgehend und unabhängig von den Jahreszeiten zwischen den Seen variierte, was auf lokale Einflussfaktoren schließen lässt, die für die jeweiligen Seen unterschiedlich sind und somit die MC Genotypenhäufigkeit beeinflussen. Im zweiten Kapitel wurden die Abundanz und der Anteil von drei verschiedenen mcy Genotypen bestimmt, welche für die Synthese von unterschiedlichen MC Strukturvarianten ([Asp, Dhb]-MC-RR, [Asp, Mdha]-MC-RR und [Asp, Dhb]-MC- HtyR) bei dem Cyanobakterium Planktothrix kodieren. Dazu wurden zwölf Populationen des Cyanobakteriums Planktothrix, welches in tiefen, geschichteten Seen der Alpen (Österreich, Deutschland, Schweiz) vorkommt, über einen Zeitraum von zwei Jahren untersucht. Die Konzentration und der Anteil der drei häufigen MC Strukturvarianten konnte durch die Häufigkeit und den Anteil der entsprechenden Genotypen hoch signifikant erklärt werden. Generell hatte der Genotyp, der die Synthese von [Asp, Dhb]-MC-RR kodiert den höchsten Anteil, der von der Trophiestufe eines Gewässers und der Populationsdichte nicht beeinflusst wurde. Die Ergebnisse von Kapitel eins und zwei zeigen, dass die MC Netto-Produktion vor allem quantitativ und qualitativ durch die Abundanz der entsprechenden MC Genotypen erklärt werden konnte. Daraus folgt weiter, dass der (öko-)physiologische Einfluss von Umweltfaktoren, z.B. von Licht auf die Transkription der jeweiligen Gene von nur geringer Bedeutung war. Im dritten Kapitel wurde die durchschnittliche Abundanz derselben Genotypen, die die Synthese von [Asp, Dhb]-MC-RR, [Asp, Mdha]-MC-RR und [Asp, Dhb]-MC-HtyR kodieren, im tiefen und geschichteten Zürichsee (Schweiz) über den Zeitraum der Re-oligotrophierungsphase von ca. 30 Jahren (1977-2008) untersucht. Diese einzigartige Langzeituntersuchung wurde durch Extraktion der DNA aus Phytoplanktonproben, die durch Hitzebehandlung haltbar gemacht und seither aufbewahrt wurden, und dem Einsatz der bereits etablierten qPCR Methodik ermöglicht. In der durch Hitzebehandlung konservierten DNA wurden einzelne DNA Substitutionen gefunden, die durch enzymatische Behandlung repariert werden konnten. Die Hauptschädigung des genetischen Materials bestand jedoch wahrscheinlich aus Doppelstrangbrüchen, die die DNA Menge insgesamt sehr deutlich reduzierten. Nachdem jedoch die Schädigung der DNA über alle der für qPCR verwendeten Loci gleichmäßig verteilt war, wurde davon ausgegangen, dass die relative Abschätzung der Anteile einzelner Genotypen von der Art und Weise der Konservierung der DNA Proben unabhängig sein sollte. Ähnlich der in Kapitel zwei beschriebenen Studie, war der Anteil des Genotyps, der für die Synthese von [Asp, Dhb]-MC-RR kodiert, verglichen mit dem Anteil des [Asp, Mdha]-MC-RR Genotyps über den gesamten Untersuchungszeitraum stabil am höchsten, obwohl eine prozentuale Abnahme detektiert wurde. Diese Abnahme konnte auf eine leichte Zunahme eines inaktiven MC Genotyps zurückgeführt werden, der eine Deletion im untersuchten Genbereich aufweist, jedoch wahrscheinlich die Toxizität der Gesamtpopulation nicht beeinflußte. Im vierten Kapitel wurde unter Verwendung derselben DNA aus Kapitel drei der Anteil des toxischen Genotyps mit jenem der nicht-toxischen Genotypen über den Zeitraum der Re-oligotrophierungsphase von ca. 30 Jahren (1977-2008) im tiefen, thermisch geschichteten Zürichsee (Schweiz) verglichen. Trotz großer Schwankungen in der Trophiestufe und in der Populationsdichte von Planktothrix war der Anteil des toxischen MC Genotyps fast einhundert Prozent. MC Genotypen, die durch Insertionen oder eine Deletion in der MC Synthese inaktiviert wurden, hatten nur geringen Anteil an der Gesamtpopulation. Ein aus seichten und polymiktischen Gewässern bekannter nicht-toxischer Genotyp, der neunzig Prozent des mcy Genclusters verloren hat und eine andere Pigmentierung aufweist, konnte über den gesamten Beobachtungszeitraum detektiert werden. Allerdings war dessen Häufigkeit erstaunlich gering. Diese bemerkenswerte Stabilität in der Dominanz des MC Genotyps konnte durch dessen Adaption an regelmäßig stattfindende Durchmischungsereignisse erklärt werden, die aufgrund des hohen Wasserdrucks die Ausbildung von maximal druckresistenten Gasvesikeln erfordern.

Abstract

(Englisch)

The toxic heptapeptide microcystin (MC) produced by cyanobacteria has gained much attention, as high amounts of this toxin occur within cyanobacterial blooms, which constitutes a considerable health risk to humans. Within a population, commonly toxin-producing and nontoxic genotypes co-occur due to the loss or the inactivation of the MC synthetase (mcy) gene cluster. Little is known, however, about the environmental factors regulating the toxigenic genotype composition in a habitat. Understanding the controls is one of the most challenging questions with regard to the regulation of toxin production in aquatic systems. The aim of this thesis is the elucidation of environmental factors that influence the distribution and abundance of toxic and nontoxic genotypes among planktonic cyanobacteria over different spatial and temporal scales. As a method of choice quantitative real-time PCR (qPCR) is not only highly sensitive but also enables the quantification of specific toxic and nontoxic genotypes directly in the field. It allows drawing conclusions on the role of environmental factors regulating MC genotype abundance and the resulting MC production in habitats. In the first chapter, the abundance and the proportion of the MC-producing genotype was investigated in populations of the cyanobacterium Microcystis occurring in five lakes in Uganda (East Africa) in dependence on environmental factors during one year. The results showed that the MC genotype proportion differed consistently and independently of the season between lakes, suggesting that local factors differing spatially between lakes might determine the MC genotype abundance. In addition, the average MC content per cell was correlated linearly to the proportion of the MC- producing genotype in the different lakes. In the second chapter, the abundance and proportion of three mcy genotypes encoding the synthesis of different MC structural variants were investigated in populations of the cyanobacterium Planktothrix occurring in twelve deep stratified lakes of the Alps (Austria, Germany, Switzerland) during two years. The concentration and proportion of the abundant MC structural variants [Asp, Dhb]-MC-RR, [Asp, Mdha]-MC-RR and [Asp, Dhb]-MC-HtyR were significantly explained by the respective MC genotype abundance and proportion. In general, the genotype encoding the synthesis of [Asp, Dhb]-MC-RR showed the highest proportion irrespective of the trophic state and over a wide range in population density. The results of chapters 1 and 2 show that MC net production could be quantitatively and qualitatively explained by the abundance of specific mcy genotypes, suggesting that the (eco-)physiological influence on MC production through transcriptional regulation was of minor importance. In the third chapter, the average abundance of the same genotypes encoding the synthesis of [Asp, Dhb]-MC-RR, [Asp, Mdha]-MC-RR and [Asp, Dhb]-MC-HtyR were analyzed in deep-stratified Lake Zürich (Switzerland) during its re- oligotrophication period of ca. thirty years (1977-2008). This long-term observational approach was possible by extracting the DNA from heat-desiccated phytoplankton and the quantification of the mcy genotype abundance and proportion by means of qPCR. The historical DNA showed the occurrence of heat-induced substitutions that could be repaired by enzyme treatment. However, the major DNA destruction resulted from fragmentation. Both fragmentation and the occurrence of heat-induced substitutions were found evenly distributed among the various gene loci used for qPCR. Thus, it was concluded that the estimates of genotype proportions as determined by qPCR were relatively robust against heat-desiccation induced damage of the DNA. Similar to the study described in chapter 2, the proportion of the genotype encoding the synthesis of [Asp, Dhb]-MC-RR was higher when compared with the [Asp, Mdha]-MC-RR genotype during the whole observation period, although it decreased in proportion. This decline could be related to the minor increase in proportion of an inactive MC genotype carrying a deletion within this gene region, but presumably did not affect the overall toxicity of the population. In the fourth chapter, using the same DNA samples as in chapter 3, the proportion of the toxigenic MC genotypes was compared to the proportion of the nontoxic genotypes. Despite major changes in trophy and the Planktothrix population density in deep-stratified Lake Zürich (Switzerland) the proportion of the toxigenic MC genotypes was close to hundred percent. Nontoxic genotypes inactive due to insertions or a deletion within the mcy gene cluster occurred in low proportions only. A genotype that is known from shallow polymictic lakes, and which lost ninety percent of the mcy gene cluster and differs in pigmentation co-occurred, but was never abundant. This remarkable stability of MC genotype dominance could be explained by its adaptation to deep-mixing events, for example through the gene expression of highly resistant gas vesicles.

Autor*innen

Veronika Ostermaier

Haupttitel (Englisch)

Environmental regulation of microcystin genotype abundance and the resulting net production of the toxic heptapeptide microcystin among bloom-forming cyanobacteria

Paralleltitel (Deutsch)

Einfluß von Umweltfaktoren auf die Abundanz von Microcystin-Genotypen und die daraus resultierende Nettoproduktion des toxischen Heptapeptids Microcystin in Populationen blütenbildender Cyanobakteri

Paralleltitel (Englisch)

Environmental regulation of microcystin genotype abundance and the resulting net production of the toxic heptapeptide microcystin among bloom-forming cyanobacteria

Publikationsjahr

2013

Umfangsangabe

166 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Thomas Rohrlack ,

Geoffrey A. Codd

Klassifikationen

42 Biologie > 42.90 Ökologie: Allgemeines ,

42 Biologie > 42.93 Limnologie

AC Nummer

AC11345887

Utheses ID

27177

Studienkennzahl

UA | 091 | 444 | |

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Schlagwörter