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Worm's migration through the redox discontinuity layer
evidences from the Thiosymbion physiology
Tobias Viehböck
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Molekulare Mikrobiologie, Mikrobielle Ökologie und Immunbiologie
Betreuer*in
Silvia Bulgheresi
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13167.12036.988565-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Freilebende marine Fadenwürmer, die zur Unterfamilie Stilbonematinae gehören, tragen symbiotische, autotrophe Schwefel-oxidierende Gammaproteobakterien der Gattung Candidatus Thiosymbion auf ihrer Kutikula (Ektosymbionten). Als prominentes Mitglied des Thiobios können sie in extrem hoher Anzahl (> 10^5 pro m2) in Flachwassersedimenten vorkommen, die durch oxygenierte obere und anoxische, tiefer liegende sulfidreiche Schichten gekennzeichnet sind. Daher könnte diese chemoautotrophe Symbiose wesentlich zu S, C und N-Zyklen in marinen Sedimenten im Flachwasser beitragen und ihre Biogeochemie beeinflussen. Es wurde lange angenommen, dass die Symbionten mit den Nematoden eine Symbiose eingehen, um ihre vertikale Migration durch diese Redoxzone auszunutzen. Dies würde ihnen den Zugang zu Sulfid (Elektronendonor) als auch Sauerstoff (Elektronenakzeptor) für den Prozess der Schwefeloxidation ermöglichen. In dieser Arbeit untersuchten wir die metabolischen Anpassungen von stilbonematid Symbionten durch: (1) Rekonstruktion von Stoffwechselwegen der Symbionten und Adaptionen, die für eine symbiotische Existenz von Nutzen sein könnten. Hierfür wurde eine Kombination von kurzen (Illumina) und ultra-langen (Oxford Nanopore Technologies) Sequenziertechnologien für den Genomzusammenbau verwendet; (2) Messung ihrer vertikalen Verteilung und der physikalisch-chemischen Parameter, denen Nematoden im Sediment von Carrie Bow Cay, Belize, und Piran, Slowenien, begegnen; (3) Auswirkung von hohem und niedrigem Sauerstoffgehalt auf den S, C, N-Metabolismus von Symbionten mittels Quantifizierung der Transkription von metabolischen Schlüsselgenen (aprA, dsrA, norB, cbbL, nifH) über 72 h.
Die Ergänzung von Illumina-Sequenzen mit langen Sequenzen (max. 121 kbp) verbesserte die Gesamtstatistik der Genomanordnung erheblich. Wie durch COG und Pfam Annotation bestimmt, besitzt Cand. Thiosymbion oneisti eine hohe Anzahl von Transposasen und Toxin-Antitoxin-Systemen zusätzlich zu einer großen Zahl an sich wiederholenden Genomabschnitten, und kodiert für einen vollständigen Typ-II-Sekretionsweg von Proteinen (mit Sec- und Tat-Pfaden), Typ IV-Pili und einem Sekretionssystem vom Typ VI. All dies deutet auf ein mobiles Genom und einen extrazellulären, vielseitigen ökologischen Lebensstil hin. Darüber hinaus wird die Vielfalt der Toxin-Antitoxin-Systeme als zelluläre Anpassung an Nährstofflimitierung und Umweltstress gesehen. Im Gegensatz dazu zeigte die metabolische Rekonstruktion, dass alle Stoffwechselwege, die für einen Wirt-unabhängigen Lebensstil notwendig sind, vollständig vorhanden sind und das Symbionten-Genom (4,3 Mbp) nicht reduziert ist. Dazu gehören Auto- und Heterotrophie (Calvin-Zyklus, Citratzyklus), Schwefeloxidation (Sox/Reverser-Dsr-Weg), Denitrifikation, Stickstofffixierung, Biosynthese aller Aminosäuren, Gene für Cofaktor- und Vitaminbiosynthese (Biotin, Folat, Polyhydroxybutyrat, Riboflavin, Cobalamin, Häm) und ABC-Transporter (z.B. für Acetat, Ammonium, Molybdat, Harnstoff, Phosphat, Zink, Lipoproteine, Häm).
Die vertikale Verteilung von Stilbonematinae, insbesondere Laxus oneistus, zeigte ein ausgeprägtes Maximum bei niedrigen Sulfid- (< 20 μM) und Sauerstoffkonzentrationen (< 20 μM). Die Konzentrationen von Ammonium, Nitrat, Nitrit und gelöstem organischen Kohlenstoff variierten zwischen den Standorten, wobei Ammonium die Haupt-Stickstoffquelle für die Ektosymbionten sein könnte.
Die auf dem Genom basierenden Hypothesen, die in oxischen und hypoxischen Inkubationen getestet wurden, zeigten eine simultane Atmung von Sauerstoff und Nitrat zur Kohlenstofffixierung, die beide in der hypoxischen Inkubation überexprimiert waren. Beide Gene für Schwefeloxidation (aprA, dsrA) nahmen im Laufe der Zeit ab, vermutlich da der interne Schwefelspeicher aufgebraucht wurde. Darüber hinaus könnte die Stickstofffixierung (Transkription von nifH) bei einer 72 h langen Hypoxie zunehmen.
Zusammenfasend deuten die Daten auf einen vielseitigen Stoffwechselweg der stilbonematid Symbionten hin, der darauf optimiert ist, in einer Umwelt mit geringem Redoxpotential zu leben.
Abstract
(Englisch)
Free-living marine nematodes belonging to the subfamily Stilbonematinae carry symbiotic, autotrophic sulfur-oxidizing Gammaproteobacteria of the genus Candidatus Thiosymbion on their cuticle. As a prominent member of the thiobios, they may occur at extremely high abundances (>10^5 per m2) in shallow water sediments characterized by an oxygen-sulfide gradient with oxygenated upper layers and anoxic deeper sulfide-rich sands. Therefore, these chemoautotrophic symbioses might substantially contribute to S, C and N cycling in shallow water marine sediments and affect their biogeochemistry. It has long been hypothesized that the symbionts associate to the nematodes to exploit their vertical migrations through this redox zone as these can alternatively expose them to sulfide (electron donor) and oxygen (electron acceptor). In this work, we studied the metabolic adaptions of stilbonematid symbionts by (1) reconstructing symbiont metabolic pathways and adaptions that might be beneficial to a symbiotic existence by using a combining short (Illumina) and ultra-long-read (Oxford Nanopore Technologies) sequencing technologies for genome assembly; (2) measuring their vertical distribution and physicochemical parameters they encounter in the sediment of Carrie Bow Cay, Belize, and Piran, Slovenia; (3) determining the effect of high and low oxygen environments on symbiont S, C, N metabolisms by quantifying the transcription of key metabolic genes (aprA, dsrA, norB, cbbL, nifH) over 72 h by qPCR.
The complementation of Illumina reads with long reads (max. 121 kbp) greatly improved the overall assembly statistics. As determined by COG and Pfam annotation, Cand. Thiosymbion oneisti possesses a high number of transposases and toxin-antitoxin systems in addition to a high number of repeats, and fully encodes for a type II secretion pathway of proteins (with Sec and Tat pathways), type IV pili and a type VI secretion system, all of which points to a mobile genome and an extracellular, versatile ecological lifestyle. Moreover, the diversity in toxin-antitoxin systems poises them as cellular adaptions to nutrient limitation and environmental stress. In contrast, metabolic reconstruction revealed that all pathways necessary for a host-independent lifestyle are complete and its genome (4.3 Mbp) is not reduced. These include auto- and heterotrophy (Calvin cycle, TCA cycle), sulfur oxidation (Sox/reverse Dsr pathway), denitrification, nitrogen fixation, biosynthesis of all amino acids, genes encoding for cofactor and vitamin biosynthesis (biotin, folate, polyhdydroxybutyrate, riboflavin, cobalamin, heme) and ABC transporters (i.e. for acetate, ammonium, molybdate, urea, phosphate, zinc, lipoproteins, heme).
The vertical distribution of Stilbonematinae, in particular Laxus oneistus, shows a distinct maximum at low sulfidic (< 20 µM) and low oxygen (< 20 µM) concentrations. Ammonia, nitrate, nitrite and DOC concentrations varied between sites, with ammonium potentially being the main nitrogen source for the ectosymbionts.
The genome-derived hypotheses tested in oxic and hypoxic incubations elucidated simultaneous respiration of oxygen and nitrate for carbon fixation, both enhanced in the hypoxic incubation. Both genes for sulfur oxidation (aprA, dsrA) decreased over time supposedly due to exhaustion of the internal sulfur storage. Moreover, nitrogen fixation (nifH transcription) might increase upon 72 h-long hypoxia.
All in all, the data suggest a versatile stilbonematid symbionts’ metabolism optimized to exploit environment with low redox potential.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Symbiosis thiotrophic marine nematode Stilbonematinae Gammaproteobacteria
Schlagwörter
(Deutsch)
Symbiose thiotroph marin Nematode Stilbonematinae Gammaproteobakterien
Autor*innen
Tobias Viehböck
Haupttitel (Englisch)
Worm's migration through the redox discontinuity layer
Hauptuntertitel (Englisch)
evidences from the Thiosymbion physiology
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
127 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Silvia Bulgheresi
AC Nummer
AC14540693
Utheses ID
44895
Studienkennzahl
UA | 066 | 830 | |