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Bacterial adaptations to nutrient and energy limitationBakterielle Anpassung an Nahrungs- und Energielimitierung

Adaptation von anoxygenen phototrophen Bakterien an extremes Schwachlicht und langwellige IR-Strahlung

Die Chemokline des Schwarzen Meers repräsentiert den größten rezent existierenden Lebensraum von anoxygenen phototrophen Bakterien und beherbergt eine monospezifische Population von Chlorobium BS-1. Durch die Anwendung einer hochspezifischen RT-qPCR Methode, welche auf die intern transkribierte Spacerregion (ITS) des rrn Operons abzielt, konnte gezeigt werden, dass Zellen in 80-95 m Wassertiefe physiologisch bei in situ Lichtintensitäten von unter 0.18 µmol quanta•m-2•s-1 aktiv sind. Damit stellt Chlorobium BS-1 den am stärksten schwachlichtadaptierten photosynthstischen Organismus dar. Auf der Grundlage von Labormessungen hat Chlorobium BS-1 einen Energiebedarf für den Erhaltungsstoffwechsel von ~1.6-4.9•10-15 kJ•cell-1•d-1, was der niedrigsten Wert überhaupt für eine Baktierienkultur ist. Aus diesem Grunde bietet sich Chlorobium BS-1 als Modellorganismus für die Aufklärung der zellulären Mechanismen der Langzeitüberdauerung bei Energielimitierung an. Wegen der Anpassung an extreme Schwachlichtbedingungen im Meer ist Chlorobium BS-1 auch ein geeigneter Indikatororganismus für Untersuchungen zur oxisch/anoxischen Schichtung in den Paläoozeanen.

Das Purpurschwefelbakterium Stamm 970 zeigen einen ungewöhnlichen Absorptionspeak bei 963 nm. Daher wurde das puf Operon, welches den Lichtsammelkomplex 1 (LHC1) und Proteine des photosynthetischen Reaktionszentrums beinhaltet, gezielt amplifiziert, kloniert und sequenziert. Eine Deletion zwischen αHis0 und αTrp+11, von der angenommen wurde, dass sie für die rotverschobene Qy Absorption in Thermochromatium tepidum verantwortlich ist konnte auch in Stamm 970 und Thiorhodovibrio winogradskyi nachgewiesen werden, wohingegen αLys+12 nur in Stamm 970 durch Histidin ersetzt wird. Strukturmodelle sagen eine enge Nachbarschaft der Seitenkette dieses αHis in zum BChla vorher, so dass diese Modifikation einen modulierenden Effekt auf die spektralen Eigenschaften des stark ungewöhnlichen LHC1 Komplexes von Stamm 970 ausüben könnte.

Adaption von marinen Bakterioplankton an limitierten Nährstoffen und refaktorischen organischen Kohlenstoffsubstraten

Das östliche Mittelmeer ist einer der nährstoffärmsten Standorte der Erde und enthält nur sehr geringe Mengen anorganischer Nährstoffe. Manche beweglichen Vertreter des heterotrophen Bakterioplankton zeigen eine ausgeprägte chemotaktische Reaktion auf organische Kohlenstoffsubstrate und Phosphatverbindungen. Dabei unterscheiden sich die Vertreter des copiotrophen Bakterioplanktons in ihrer spezifischen chemotaktischen Reizantwort. Insbesondere das Alphaproteobakterium Thalassospira sp. zeigt eine ausgeprägte Reaktion auf anorganisches Phosphat. Diese bisher unbekannte Komponente des marinen ultraoligotrophen Bakterioplanktons scheint also über eine spezifische Anpassung zu verfügen, um sich an Punktquellen von Phosphat zu sammeln. Dieser Mechanismus stellt eine bisher unbekannte, alternative Strategie zur Phosphatversorgung von beweglichen, copiotrophen Bakterien dar. Die Untersuchung des chemotaktischen Verhaltens ist von Bedeutung für unser Verständnis der verschiedenen ökologischen Nischen im Freiwasser der Ozeane und trägt zur Aufklärung der potentiellen Rolle dieser Bakterien im marinen Kohlenstoff- und Phosphorzyklus bei.

Durch die globale Erwärmung lässt sich eine erhöhte Mobilisierung von terrigenem refraktären Kohlenstoff aus arktischen Permafrostböden beobachten. Dies führt zu einer vermehrten Verlagerung des organischen Kohlenstoffes aus dem Boden in die benachbarten Küstengebiete und somit zur Beeinflussung des maritimen Kohlenstoffkreislaufs. Außerdem konnte beobachtet werden, dass es saisonale Schwankungen des terrigenen gelösten organischen Kohlenstoffes (tDOC) gibt, sowie eine erhöhte CO2 Emission im Küstenbereich. Zusätzlich werden im offenen Meer nur sehr geringe tDOC-Konzentrationen gemessen. Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass das als refraktär geltende tDOC im Meer mikrobiell abgebaut werden kann. Das Ziel des ATKiM-Projektes (Abbaubarkeit von arktischem terrigenen Kohlenstoff im Meer) ist das bessere Verständnis der mikrobiellen Abbauprozesse des tDOC unter Berücksichtigung von Umweltfaktoren, beteiligten Mikroorganismen und deren physiologischen Eigenschaften. Die DSMZ ist als eines von vier Leibniz-Instituten (DSMZ, IOW, IGB und MfN) als Kooperationspartner an dem durch die Leibniz Gemeinschaft geförderten ATKiM-Projekt beteiligt. Zusätzliche wissenschaftliche Unterstützung erhält das Projekt durch fünf Universitäten (Rostock, Greifswald, Bremen, Oldenburg und Stockholm). In diesem wissenschaftlichen Verbund hat die DSMZ die Aufgabe übernommen, die im tDOC-Abbau aktiven Vertreter des Bakterioplanktons mittels Metatranscriptomics zu ermitteln, relevante Bakterien zu isolieren und diese physiologisch zu charakterisieren.

Anpassung von Bodenbakterien an Nährstofflimitation und Landnutzung

Bisher waren viele Studien zur funktionellen Relevanz der bakteriellen Diversität auf einige Gruppen der am Stickstoffkreislauf beteiligten Proteobakterien sowie auf Bakterien in der Rhizosphäre beschränkt.
Acidobakterien bilden eine abundante Gruppe der Bodenbakterien, jedoch ist ihre Rolle in biogeochemischen Stoffkreisläufen bisher weitgehend ungeklärt. Das Projekt ProFIL (Prokaryotic Diversity Changes and their Functional Interrelation to Land Use) ist Teil des DFG-geförderten Verbundprojektes Biodiversitäts-Exploratorien.

Über einen Landnutzungsgradienten in drei Langzeituntersuchungsgebieten (Exploratorien) untersuchen wir im Detail die Zusammensetzung, physiologische Schlüsseleigenschaften und funktionelle Rolle der Diversität von Acidobakterien. Um biotische und abiotische Steuerungsfaktoren der Diversität und Aktivität der Acidobakterien zu identifizieren, werden Hochdurchsatzsequenzierungen der ribosomalen RNA-Gene sowie eine Quantifizierung des Ribosomengehalts vorgenommen und mittels multivariater statistischer Analysen mit Umweltparametern korreliert. Neue Erkenntnisse zu den metabolischen Eigenschaften dominanter Bodenacidobakterien werden aus Metagenombibliotheken und durch die Charakterisierung repräsentativer Isolate gewonnen.

The Future Okavango

Im Rahmen des durch das BMBF-Forschungsprogramm "Sustainable Land Management" geförderten Forschungsverbund  The Future Okavango befassen wir uns mit der quantitativen Erfassung der bakteriellen Kohlenstoff- und Stickstofftransformationen als Steuerungsgrößen der Bodenfruchtbarkeit. Im Einzugsgebiet des Okavango, welches sich über Angola, Namibia und Botswana erstreckt, sollen Rückkopplungsmechanismen zwischen verschiedenen Landnutzungsformen und bakterieller Mineralisation, Ammonifikation und Nitrifikation aufgeklärt werden. Diese Prozesse sind ausschlaggebend für die Nährstoffversorgung und die Stabilität der Savannenböden und werden mit quantitativen Modellen analysiert. An den biogeochemischen Stoffumsetzungen beteiligte Bakterien werden mit molekularen Techniken identifiziert. Repräsentative Vertreter werden mit neuartigen Kultivierungstechniken isoliert, physiologisch charakterisiert und für weiterführende Studien zu ihrem zukünftigen Anwendungspotential an afrikanische Kooperationspartner übergeben. In Kooperation mit anderen TFO-Teilprojekten werden quantitative Modelle der C- und N-Kreisläufe in den Savannenböden der Okavangoregion entwickelt. Diese Modelle werden dazu beitragen, die Nährstoffversorgung der Böden besser zu verstehen sowie den Einfluss zukünftiger Landnutzungsszenarien und des Klimawandels abzuschätzen.

Weiterführende Publikationen

  • Foesel, B.U., Rohde, M., Overmann, J. (2013) Blastocatella fastidiosa gen. nov., sp. nov., isolated from semiarid savanna soil - the first described species of Acidobacteria subdivision 4. Syst. Appl. Microbiol. (in press)
  • Naether, A., Foesel, B.U., Naegele, V., Wüst, P.K., Weinert, J., Bonkowski, M., Alt, F., Oelmann, Y., Polle, A., Lohaus, G., Gockel, S., Hemp, A., Kalko, E. K. V., Karl Eduard Linsenmair, K.E., Pfeiffer, S., Renner, S., Schöning, I., Weisser, W. W., Wells, K., Fischer, M., Overmann, J., Friedrich, M.W. (2012) Environmental factors affect acidobacterial communities below the subgroup level in grassland and forest soils. Appl. Environ. Microbiol. 78: 7398-7406.
  • Birkhofer K., Schöning I., Alt F., Herold N., Klarner B., Maraun M., Marhan S., Oelmann Y., Wubet T., Yurkov A., Begerow D., Berner D., Buscot F., Daniel R., Diekötter T., Ehnes R.B., Erdmann G., Fischer C., Foesel B., Groh J., Gutknecht J., Kandeler E., Lang C., Lohaus G., Meyer A., Nacke H., Nähter A., Overmann J., Polle A., Pollierer M.M., Scheu S., Schloter M., Schulze E.-D., Schulze W., Weinert J., Weisser W.W., Wolters V., Schrumpf M. (2012) General relationships between abiotic soil properties and soil biota across spatial scales and different land-use types. PLoS ONE 7: e43292.
  • Sinninghe Damsté J.S., Rijpstra W.I.C., Hopmans E.C., Weijers J.W.H., Foesel B.U., Overmann J., Dedysh, S. (2011) 13,16-Dimethyl octacosanedioic acid (iso-Diabolic Acid), a common membrane-spanning lipid of Acidobacteria subdivisions 1 and 3. Appl. Environ. Microbiol. 77: 4147-4154.
  • Rücker, O., Köhler, A., Behammer, B., Sichau, K., Overmann, J. (2011) Puf operon sequences and inferred structures of light-harvesting complexes of three closely related Chromatiaceae exhibiting different absorption characteristics. Arch Microbiol. 2012 Feb;194(2):123-34.
  • Hütz, A., Schubert, K., Overmann, J. (2011) Thalassospira sp. isolated from the oligotrophic Eastern Mediterranean Sea exhibits chemotaxis toward inorganic phosphate during starvation. Appl. Environ. Microbiol. 77: 4412–4421.
  • Marschall, E., Jogler, M., Henssge, U., Overmann, J. (2010) Large scale distribution and activity patterns of an extremely low-light adapted population of green sulfur bacteria in the Black Sea. Environ. Microbiol. 12: 1348-1362.
  • Koch, I.H., Gich, F., Dunfield, P.F., Overmann, J. (2008) Edaphobacter modestus gen. nov., sp. nov., and Edaphobacter aggregans sp. nov., two novel acidobacteria isolated from alpine and forest soils. Int. J. Syst. Evol. Bacteriol. 58: 1114-1122.
  • Manske, A.K., Henßge, U., Glaeser, J., Overmann, J. (2008) Subfossil 16S rRNA gene sequences of green sulfur bacteria as biomarkers for photic zone anoxia in the ancient Black Sea. Appl. Environ. Microbiol. 74: 624-632
  • Overmann, J. (2005) Chemotaxis and behavioural physiology of not-yet-cultivated microbes. Methods in Enzymology Vol. 397, Chapter II.8, p. 133-147. Elsevier, San Diego, USA
  • Coolen, M.J.L., Cypionka, H., Smock, A., Sass, H., Overmann, J. (2002) Ongoing modification of Mediterranean Pleistocene sapropels mediated by prokaryotes. Science 296, 2407-2410.
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Corynebacterineae, Pseudonocardineae, Rhodobacteraceae, Acidobacteria, Elusimicrobia