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Marine nematode-bacteria symbiosis

new species and unexpected bacterial reproduction strategies

Nikolaus Leisch

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Biologie)

Betreuer*in

Christa Schleper

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29375.18148.363253-5

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die Forschung in der bakteriellen Zellbiologie hat in den letzten zwei Dekaden gezeigt, dass die Mehrheit aller Prokaryoten über Tubulin- und Aktin - Homologe verfügen. Sowohl Zellwachstum als auch Zellteilung sind hoch komplexe Vorgänge, welche von Proteinmaschinerien, die präzise an sub-zellulären Positionen lokalisieren, organisiert werden. Viele Prokaryoten leben in einem symbiotischen Verhältnis mit eukaryotischen Wirten, welche ihnen z.B erlauben zusätzliche Energiequellen zu nutzen, oder zusätzliche Habitate zu erschließen. Die freilebenden marinen Fadenwürmer der Sub-Familie Stilbonematinae leben in solch einer Symbiose. Jede Wurmart trägt auf ihrer Kutikula artspezifische Bakterien desselben gammaproteobakteriellen Phylotyps. Durch die Bewegung des Wurmes werden die Bakterien durch Sulfid- und Sauerstoff-reiche Sedimente transportiert, die essentiellen Komponenten für den chemoautotrophen Metabolismus der Bakterien, welcher letztendlich den Wirt ernährt. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Charakterisierung des Wachstums und der Zellteilung der Stilbonematiden Symbionten um Einblick in den Lebenszyklus dieser basalen Gammaproteobakterien zu erhalten und zu sehen wie der symbiotische Lebenswandel die Bakterien beeinflussen könnte. Weiters sollte untersucht werden was die grundlegenden konservierten Faktoren der bakteriellen Zellteilung sind. In dieser Arbeit werden Zellwachstum und Teilungsmodus von zwei stäbchenförmigen Bakterien (der Symbiont von Laxus oneistus, genannt Los und der Symbiont von Robbea hypermnestra, genannt Rhs) und zwei filamentartigen Bakterien (der Symbiont von Eubostrichus fertilis, genannt Efs und der Symbiont von Eubostrichus dianeae, genannt Eds) charakterisiert. Automatisierte digitale Bildanalyse, Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie und Immunofärbe-Methoden um die subzelluläre Positionierung des Zellzeilungsprotein FtsZ zu visualisieren, wurden eingesetzt. Hierbei zeigte sich, dass die stäbchenförmigen Zellen von Los und Rhs in die Breite statt in die Länge wachsen und sich der Länge nach teilen. Während sich jedoch in Los die Z-Ellipse gleichmäßig zusammenzieht, kommt es bei Rhs zuerst zur Einschnürung an dem Zellpol, der mit dem Wurm in Kontakt steht. Diese Einschnürung wird durch Nicht-ringförmige FtsZ Akkumulation verursacht. Erst später wird die Z-Ellipse gebildet. Die filamentösen Symbionten Efs und Eds teilen sich mittels binärer Zellteilung, jedoch teilt sich Efs in jeder Länge zwischen 4 und 45μm. Eds hingegen wird bis zu 120μm lang und positioniert den Z-Ring präzise in der Zellmitte. Da diese Würmer und ihre Symbionten nicht kultiviert werden können, wurde außerdem ein Puffer für die chemische Fixierung von Invertebraten und ihrer Symbionten für die Elektronenmikroskopie adaptiert. Der Puffer enthält keine toxischen Komponenten und ermöglicht bessere ultrastrukturelle Erhaltung. Viele der Stilbonematiden sind noch nicht formal beschrieben. Um einen besseren Überblick über die verschiedenen Arten zu geben und um eine korrekte Identifizierung der Arten zu ermöglichen, wurden vier neue Spezies beschrieben. Aufgrund der hohen Abundanz war Eubostrichus fertilis ideal, um die Charakterisierung der Symbionten durchzuführen. Die Beschreibung von Robbea hypermnestra, des Wirts einer der untersuchten Symbionten, gemeinsam mit der Beschreibung zwei weiterer Arten konnte die bisher fragliche Gattung Robbea bestätigen. Alle vier untersuchten Symbionten zeigen ausgeprägte Abweichungen von der bakteriellen Zellteilung welche in Modellorganismen dokumentiert wurde. Diese Arbeit schafft den Rahmen für zukünftige tiefergehende Studien über die Zellbiologie die diesen Abweichungen zugrunde liegt und zeigt die Notwendigkeit auf, das Feld der bakteriellen Zellbiologie auf Nicht-Modellorganismen auszudehnen.

Abstract

(Englisch)

Research in the area of bacterial cell biology over the last two decades showed that the majority of all prokaryotes possess tubulin and actin homologues, and both growth and cell division are highly complex and orchestrated processes, governed by protein machineries that localize at precise sub-cellular locations. Many prokaryotes engage in symbiotic association with eukaryotic hosts, which allows them to e.g. utilize additional energy resources, access to additional habitats, or increase their locomotion. The free-living marine nematodes of the sub-family Stilbonematinae live in such an association. Each species’ cuticle is covered by a single gammaproteobacterial phylotype, which is arranged in a species-specific manner. The worm’s movement transports the bacteria through both sulfide- and oxygen-rich sediments, essential components to enable the bacterial chemoautotrophic metabolism which will eventually feed the host. The main goal of this thesis was to characterize growth and division of Stilbonematid symbionts, gain insights into the life cycle of these basal Gammaproteobacteria, understand how the symbiotic lifestyle might influence them and shed light on what the conserved paradigms in bacterial cell division are. In addition, novel host-symbiont systems were taxonomically and morphologically characterized. This thesis describes the growth and division mode of two rod-shaped symbionts (the symbiont of Laxus oneistus, termed Los, and the symbiont of Robbea hypermnestra, termed Rhs) and two filamentous symbionts ( the symbiont of Eubostrichus fertilis, termed Efs, and the symbiont of Eubostrichus dianeae, termed Eds). We applied automated digital image analysis, scanning and transmission electron microscopy to isolated cells, and conducted immunostaining experiments to elucidate the sub-cellular localization pattern of the cell division protein FtsZ. Our data showed that the rod-shaped cells of Los and Rhs grow in width instead of length and we demonstrated that their default way of dividing is along their longitudinal axis as. However, while in Los a single Z-ellipse spans the whole length of the cell and constricts synchronously, in Rhs the nematode-attached pole starts invagination earlier than the apical pole. This is mediated by a non-ring accumulation of FtsZ and the Z-ellipse only gets formed later in the division process. The two filamentous symbionts Efs and Eds divide by binary fission, but Efs can divide at virtually any length between 4 and 45 μm. In comparison, Eds can grow up to 120 μm long and positions the Z-ring precisely at mid-cell. Additionally, as both worms and symbionts cannot be cultivated, the adaptation of a buffer for the chemical fixation of marine invertebrates and their symbionts for electron microscopy is reported. It doesn’t utilize toxic components and results in better ultrastructural preservation. Many of the stilbonematid species still lack a formal description; to contribute to a more complete picture of the species and their distribution, and to allow proper identification, four new stilbonematid species were described. Due to its high abundance Eubostrichus fertilis was an ideal candidate for the symbiont characterization. The description of Robbea hypermnestra, host of one of the symbionts characterized, together with that of two more members of the genus Robbea, allowed us to corroborate the previously debated genus Robbea. To conclude, all four investigated symbionts show pronounced deviations from the canonical bacterial cell division mode found in bacterial model organisms. This thesis provides the framework for future research of the cell biology underlying these deviations, and it emphasizes the need to expand the field of bacterial cell division to a broader range of non-model

Autor*innen

Nikolaus Leisch

Haupttitel (Englisch)

Marine nematode-bacteria symbiosis

Hauptuntertitel (Englisch)

new species and unexpected bacterial reproduction strategies

Paralleltitel (Deutsch)

Marine Nematoden-Bakterien Symbiose ; neue Arten und unerwartete bakterielle Reproduktionsstrategien

Publikationsjahr

2014

Umfangsangabe

197 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Gilles Van Wezel ,

Abdelaziz Heddi

Klassifikationen

42 Biologie > 42.15 Zellbiologie ,

42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie

AC Nummer

AC12145895

Utheses ID

31371

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 437 |

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