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Omics-based physiology of marine nematode ectosymbioses
Gabriela Fabiola Paredes Rojas
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Biologie)
Betreuer*in
Silvia Bulgheresi
DOI
10.25365/thesis.71072
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13220.08521.425413-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In meiner Dissertation habe ich eine faszinierende Symbiose zwischen einem Tier und einem Bakterium erforscht, nämlich die der marinen, interstitiellen Nematoden, die zur Familie der Stilbonematinae gehören. Diese sind außergewöhnlich, da jeder Wurm auf seiner Oberfläche einen einzigen Phylotyp von schwefeloxidierenden Gammaproteobakterien trägt, die zur Gattung Candidatus Thiosymbion gehören. Obwohl sie weltweit in Meeressedimenten mit niedrigem Wasserstand verbreitet sind und aufgrund ihres hohen Vorkommens möglicherweise die geochemischen Zyklen der Sedimente beeinflussen, wissen wir immer noch nicht, warum diese beiden Organismen in Symbiose leben. Auf der Grundlage ökologischer Studien wurde lange Zeit angenommen, dass die Symbionten mit Nematoden assoziiert sind, um deren vertikale Wanderungen durch die Redoxzone zu nutzen, d. h. um abwechselnd Zugang zu O2 in den oberen Sandschichten und zu Schwefelwasserstoff in den tieferen Schichten zu erhalten. Bis zu dieser Arbeit war jedoch die physiologische Reaktion des Holobionten auf die Bedingungen unerforscht, die er bei seiner Wanderung durch den Sand antrifft. Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich daher die physiologische Reaktion von Laxus oneistus auf beide Bedingungen analysiert, indem ich eine breite Palette von Techniken angewandt habe, darunter vergleichende Analyse von mRNA, Lipiden, Proteinen und Metaboliten, qPCR, Stabil-Isotopen Analyse mittels Raman-Spektroskopie und nanoSIMS und Messungen der physikalicsh-chemischen Umweltparameter. Um die Physiologie der Symbionten mit ihrer Zellbiologie zu verknüpfen, habe ich außerdem ultrastrukturelle Studien durchgeführt und DNA-Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) angewandt.
Die im Rahmen meiner Doktorarbeit gesammelten Ergebnisse führten zu vier Publikationen, die sich konzeptionell in drei Teile gliedern lassen: 1) Reaktion der Symbionten auf Sauerstoff (Paredes et al., 2021); 2) Reaktion des Wirtes auf Sauerstoff (Paredes et al., unter Begutachtung); 3) Zellbiologie der Symbionten (Weber, Moessel, Paredes et al., 2019; Weber, Paredes et al., zur Publikation akzeptiert). In Bezug auf Teil (1) konnten wir zeigen, dass unter Fehlen von Sauerstoff Gene für die Schwefeloxidation hochreguliert wurden und die Symbionten weniger gestresst zu sein schienen und sich stärker vermehrten. Unter Sauerstoff hingegen wurden Gene, die an der Assimilation von Kohlenstoff und Stickstoff beteiligt sind, hochreguliert. Wir vermuten daher, dass der von den Tieren vermittelte Zugang zu Sauerstoff eher die Kohlenstoffspeicherung und die Synthese von Vitaminen und Cofaktoren fördert als die Schwefeloxidation. Außerdem könnte der Symbiont von den organischen Verbindungen und Lipiden des Wirtes profitieren. In Teil (2) haben wir gezeigt, dass der Wirt ohne Sauerstoff weder in einen bewegunglosen Ruhezustand überging noch seinen Stoffwechsel zu unterdrücken schien. Stattdessen wurden Abbauwege (z. B. das Ubiquitin-Proteasom-System, Autophagie und Apoptose) sowie Gene, die den Aufbau der Symbiose vermitteln könnten (z. B. Lektine, Muzine), hochreguliert. War hingegen Sauerstoff vorhanden, schien er kostspielige biologische Prozesse wie Entwicklung, Fütterung, Paarung und Fortbewegung zu aktivieren und auch Immunantwort und Effektoren (z. B. Fungizide, BPIs) hochzuregulieren. Schließlich zeigten wir in Teil (3) eine feste Chromosomenkonfiguration in Ca. Thiosymbion und stellten die Hypothese auf, dass dies die Lokalisierung von Membranproteinen erleichtern könnte und dies wiederum für die Symbiose zwischen Wurm und Bakterium vorteilhaft sein könnte. Schließlich haben wir die Morphologie und die Fortpflanzungsweise des ersten jemals beschriebenen würfelförmigen Bakteriums Ca. T. cuboideus charakterisiert.
Abstract
(Englisch)
My thesis explored a fascinating animal-bacterium symbiosis, the one engaging interstitial marine nematodes belonging to the Stilbonematinae. They are unique as every worm species carries on its surface a single phylotype of sulfur-oxidizing Gammaproteobacteria be-longing to the genus Candidatus Thiosymbion. Despite being globally distributed in shallow-water marine sediments and at abundances so high as to potentially influence sediment geochemical cycles, we still do not know why these organisms associate. Based on seminal ecological studies, it has long been hypothesized that the symbionts associate with the nematodes to exploit their vertical migrations through the redox zone, that is, to alternatively access O2 in the upper sand layers and sulfide in the deeper ones. However, up until this work, the physiological response of the holobiont to the conditions encountered while migrating through the sand remained unknown. Therefore, in my Ph.D. studies, I analyzed Laxus oneistus physiological response to superficial sand- and deep sand-like conditions by applying a broad array of techniques including comparative transcriptomics, lipidomics, proteomics, and metabolomics, qPCR, stable isotope-based techniques, Raman spectroscopy, and in situ physicochemical measurements. Moreover, to link symbiont physiology to its cell biology, I performed ultrastructural studies and applied DNA fluorescence in situ hybridization (FISH).
The results collected in the course of my Ph.D. led to four publications which can be conceptually grouped into three parts: 1) symbiont response to oxygen (Paredes et al., 2021); 2) host response to oxygen (Paredes et al., under review); 3) symbiont cell biology (Weber, Moessel, Paredes et al., 2019; Weber, Paredes et al., accepted). Concerning part (1), we showed that, under anoxia, sulfur oxidation genes were upregulated, and the symbiont appeared to be less stressed and to proliferate more. In the presence of oxygen, instead, genes involved in carbon and nitrogen assimilation were upregulated. Hence, we proposed that animal-mediated access to oxygen, rather than enhancing sulfur oxidation, would pro-mote carbon storage and the synthesis of vitamins and cofactors. Moreover, the symbiont could profit from host-derived organic compounds and lipids. In part (2), we showed that the anoxic host did not enter suspended animation, nor appeared to suppress its metabolism. Instead, it upregulated degradation pathways (e.g., the ubiquitin-proteasome system, autophagy, and apoptosis), as well as genes that may mediate symbiosis establishment (e.g., lectins, mucins). On the other hand, when oxygen was available, it seemed to engage in costly biological processes such as development, feeding, mating, and locomotion and also upregulated immune pathways and effectors (e.g., fungicides, bactericidal/permeability-increasing proteins). Finally, in part (3) we showed a fixed chromosome configuration in Candidatus Thiosymbion and hypothesized that it might facilitate the localization of membrane proteins involved in symbiosis to the worm-bacterium interface. Finally, we characterized the morphology and reproductive mode of the first-ever reported cuboid bacterium.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Symbiose thiotroph marin Nematode Stilbonematinae Gammaproteobakterien Ektosymbiont Physiologie
Schlagwörter
(Englisch)
Symbiosis thiotrophic marine nematode Stilbonematinae Gammaproteobacteria ectosymbiont physiology
Autor*innen
Gabriela Fabiola Paredes Rojas
Haupttitel (Englisch)
Omics-based physiology of marine nematode ectosymbioses
Paralleltitel (Deutsch)
Omics-basierte Physiologie von Ektosymbionten mariner Nematoden
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
219 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Silvia Bulgheresi
AC Nummer
AC16536078
Utheses ID
61734
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |