The search result changed since you submitted your search request. Documents might be displayed in a different sort order.
  • search hit 24 of 503
Back to Result List

Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-26920

Chemosymbiosis in marine bivalves – unravelling host-symbiont interactions and symbiotic adaptions

  • Symbiosis essentially forms the cornerstone of complex life on earth. Spearheading symbiosis research in the last few decades include the exploration of diverse mutualistic animal-bacterial associations from marine habitats. Yet, many facets of symbiotic associations remain under-examined. Here we investigated marine bivalves of the genera Bathymodiolus and Codakia, inhabiting hydrothermal vents and shallow water ecosystems, respectively, and their bacterial symbionts. The symbionts reside intracellularly within gill epithelia and supply their host with chemoautotrophically fixed carbon. They oxidize reduced substrates like sulfide (thiotrophic symbionts) and methane (methanotrophic symbionts) from surrounding fluids for energy generation. The nature of interactions between host and symbiont at the metabolic and physical level, as well as between the holobiont and its environment remain poorly understood. In vitro cultivations of both symbiont and host are difficult till date, hampering the feasibility of targeted molecular investigations. We bypassed culture-based experiments by proteogenomically investigating physically separated fractions of host and symbiont cell components for the bivalves Bathymodiolus azoricus, Bathymodiolus thermophilus and Codakia orbicularis. Using these enrichments, we sequenced the symbionts’ genomes and established semi-quantitative host-symbiont (meta-) proteomic profiles. This combined approach enabled us to resolve symbiosis-relevant metabolic pathways and adaptations, detect molecular factors mediating physical interactions amongst partners and to understand the association of symbiotic traits with the environmental factors prevailing within habitats of the respective bivalve. Our results revealed intricate metabolic interdependence between the symbiotic partners. In Bathymodiolus, these metabolic interactions included (1) the concentration of essential substrates like CO2 and thiosulfate by the host for the thiotrophic symbiont, and (2) the host’s replenishment of essential TCA cycle intermediates for the thiotroph that lacks biosynthetic enzymes for these metabolites. In exchange (3), the thiotroph compensates the host’s putative deficiency in amino acid and cofactor biosynthesis by cycling aminoacids derived from imported precursors back to the host. In case of Codakia orbicularis, the symbionts may metabolically supplement their host with N-compounds derived from fixation of molecular nitrogen, a trait that was hitherto unknown in chemosynthetic thiotrophic symbionts. Individual proteogenomic investigations of the bivalves Bathymodiolus azoricus and Bathymodiolus thermophilus showed that their symbionts are able to exploit a multitude of energy sources like sulfide, thiosulfate, methane and hydrogen to fuel chemosynthesis. The bivalves and their thiotrophic symbionts, however, are particularly adapted to thiosulfate-utilization, as indicated by mitochondrial production and concentration of thiosulfate by host and dominant expression of thiosulfate oxidation enzymes in the symbiont. This may be advantageous, because thiosulfate is less toxic to the host than sulfide. The central metabolic pathways for energy generation, carbon and nitrogen assimilation and amino acid biosynthesis in thiotrophic symbionts of both Bathymodiolus host species are highly conserved. Expression levels of these pathways do, however, vary between symbionts of both species, indicating differential regulation of enzyme synthesis, possibly to accommodate differences in host morphology and environmental factors. Systematic comparison of symbiont-containing and symbiont-free sample types within and between B. azoricus and B. thermophilus revealed the presence of ‘symbiosisspecific’ features allowing direct host-symbiont physical interactions. Host proteins engaged in symbiosis-specific functions include 1) a large repertoire of host digestive enzymes predominant in the gill, possibly facilitating symbiont population control and carbon acquisition via direct enzymatic digestion of symbiont cells and 2) a set of host pattern-recognition receptors, which may enable the host to selectively recognize pathogens or even symbionts “ripe” for consumption. Symbiont proteins engaged in symbiosis-specific interactions included 3) an enormous set of adhesins and toxins, putatively involved in symbiont colonization, persistence and host-feeding. Bathymodiolus symbionts also possess repertoires of CRISPR-Cas and restrictionmodification genes for phage defense that are unusually large for intracellular symbionts. Genomic and proteomic comparisons of thiotrophic symbionts of distinct Bathymodiolus host species from different vent sites revealed a conserved core genome but divergent accessory genomes. The B. thermophilus thiotroph’s accessory genome was notably more enriched in genes encoding adhesins, toxins and phage defense proteins than that of other Bathymodiolus symbionts. Phylogenetic analyses suggest that this enrichment possibly resulted from horizontal gene acquisition followed by multiple internal gene duplication events. In others symbionts, these gene functions may be substituted by alternate mechanisms or may not be required at all: The methanotrophic symbionts of B. azoricus, for example, has the genetic potential to supplement phage defense functions. Thus, the accessory genomes of Bathymodiolus symbionts are species- or habitat-associated, possibly facilitating adaptation of the bivalves to their respective micro- and macroenvironments. In support of this, we show that symbiont biomass in B. thermophilus, which hosts only one thiotrophic symbiont phylotype, is considerably higher than in B. azoricus that hosts thiotrophic and methanotrophic symbionts. This suggests that different symbiont compositions in each species produce distinct microenvironments within the holobiont. Our study presents an exhaustive assessment of the genes and proteins involved in this bivalve-microbe interaction, hinting at intimate host-symbiont interdependencies and symbiotic crosstalk between partners. The findings open novel prospects for microbiologists with regard to mechanisms of host-symbiont interplay within highly specialized niches, origin and distribution of prokaryote-eukaryote interaction factors across both mutualistic and pathogenic associations.
  • Symbiosen bilden den Grundstein allen komplexen Lebens auf der Erde. Zu den wegweisenden wissenschaftlichen Untersuchungen der letzten Jahrzehnte gehört die Erforschung diverser mutualistischer Gemeinschaften aus marinen Tieren und Bakterien. Dennoch sind zahlreiche Facetten von symbiontischen Assoziationen bislang nur unzureichend verstanden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit marinen Muscheln der Gattungen Bathymodiolus und Codakia, die an Hydrothermalquellen bzw. in Flachwasserökosystemen beheimatet sind, und ihren bakteriellen Symbionten. Die intrazellulären Symbionten leben im Kiemengewebe der Muscheln und versorgen ihre Wirte mit chemoautotrophisch produzierten Kohlenstoffverbindungen. Die dafür benötigte Energie gewinnen sie durch Oxidation reduzierter Verbindungen wie Sulfid (thiotrophe Symbionten) und Methan (methanotrophe Symbionten). Weder metabolische oder physische Interaktionen zwischen Wirt und Symbionten noch Interaktionen zwischen Holobiont und Umgebung sind bisher hinreichend verstanden. Die Tatsache, dass weder die Symbionten noch ihre Wirte problemlos in vitro kultiviert und vermehrt werden können, erschwert genauere physiologische Untersuchungen erheblich. In dieser Arbeit wurden daher kultivierungsunabhängige proteogenomische Untersuchungen durchgeführt, um die Tiefsee-Muscheln B. azoricus und B. thermophilus, sowie die Flachwasser-Muschel Codakia orbicularis genauer zu charakterisieren. Mithilfe von Anreicherungen der Symbiontenzellen konnten Draft-Genomen der Symbionten etabliert und semi-quantitative (meta-) Proteomprofile der gesamten Symbiose erstellt werden. Dieses Vorgehen ermöglichte es, Symbiose-relevante Stoffwechselwege und Anpassungen zu identifizieren, sowie molekulare Faktoren zu ermitteln, die physikalische Wechselwirkungen zwischen Partnern vermitteln. Weiterhin gaben diese Analysen Aufschluss über den Zusammenhang von symbiotischen Merkmalen und den in den jeweiligen Lebensräumen vorherrschenden Umweltbedingungen. Wie wir in unseren Studien zeigen konnten, sind die Stoffwechsel von Bathymodiolus- Wirten und ihren Symbionten auf komplexe Art miteinander verwoben, was auf ein gewisses Maß an gegenseitiger Abhängigkeit zwischen den Partnern hindeutet. Zu diesen metabolischen Interaktionen gehörten (1) das Anreichern essentieller Substrate wie CO2 und Thiosulfat durch den Wirt zur effizienten Einspeisung in Stoffwechselwege des thiotrophen Symbionten, (2) die Bereitstellung essentieller Zitratzyklus-Intermediate wie Oxalacetat und Succinat durch den Wirt, die das Fehlen der entsprechenden Biosynthesegene im thiotrophen Symbionten ausgleicht, sowie im Gegenzug (3) die Versorgung des Wirts mit Aminosäuren und Cofaktoren, welche der thiotrophe Symbiont aus Vorstufen des Wirts herstellt und dann an diesen zurück gibt. Für Codakia orbicularis konnte gezeigt werden, dass der bakterielle Symbiont in der Lage ist, molekularen Stickstoff zu fixieren – eine Eigenschaft, die bisher in marinen thiotrophen Symbiosen gänzlich unbekannt war, die aber potentiell eine weitere Art metabolischer Unterstützung des Wirtes durch den Symbionten darstellen könnte. Der Vergleich zentraler Stoffwechselwege der thiotrophen Symbionten in B. azoricus und B. thermophilus ergab, dass generelle Routen der Energie-Gewinnung, Kohlenstoff- und Stickstoff-Assimilation, sowie Aminosäure-Synthese stark konserviert sind, was einen gewissen Selektionsvorteil für die konvergente Entwicklung dieses Kernmetabolismus in verschiedenen Arten impliziert. Das Expressionsniveau der verschiedenen Stoffwechselwege war jedoch im Vergleich zwischen den Symbionten recht unterschiedlich ausgeprägt, was darauf hindeutet, dass die Enzymsynthese differentiell reguliert wird, womöglich in Abhängigkeit von der Wirts-Morphologie, von der Zusammensetzung der Symbionten-Population und von Umwelteinflüssen. Durch systematische Vergleiche zwischen Symbionten-haltigem und Symbionten-freiem Gewebe innerhalb einer Art aber auch zwischen B. azoricus und B. thermophilus konnten neue „Symbiose-spezifische“ Anpassungen entdeckt werden. Vergleichende Genomanalysen der thiotrophen Symbionten von B. azoricus, B. thermophilus und weiterer Bathymodiolus-Arten sowie anderer Muschel-Wirte aus verschiedenen hydrothermalen Lebensräumen erlaubten Rückschlüsse darauf, ob diese „Symbiosespezifischen“ Faktoren Umwelt-abhängig sind. Zu den Wirts-Proteinen mit potentiell „Symbiose-spezifischer“ Funktion zählen beispielsweise (1) ein umfangreiches Repertoire an Verdauungsenzymen in den Symbionten-haltigen Kiemen, die dem Wirt mutmaßlich dazu dienen, organische Kohlenstoffe durch kontrollierten Verdau ganzer Symbionten-Zellen zu gewinnen, sowie (2) eine Reihe pattern-recognition-receptor-like proteins (PRRs), die den Wirt befähigen könnten, „reife“ Symbionten zu erkennen. Unter den Symbionten-Proteinen mit mutmaßlich „Symbiose-spezifischer“ Funktion waren (3) eine Vielzahl Adhäsin- und Toxin-ähnlicher Proteine, die womöglich an der Anheftung, Aufnahme und Persistenz der Symbionten oder am Nährstoff-Tansfer beteiligt sind. Obwohl Bathymodiolus-Symbionten in geschützten intrazellulären Nischen leben, sind sie mit CRISPR-Cas- und Restriktions-Modifikations-Systemen zur Abwehr von Phagen ausgestattet. Sowohl Adhäsionsproteine als auch Phagen-Abwehr-Systeme waren im Genom und im Proteom des thiotrophen B. thermophilus-Symbionten stark angereichert im Vergleich zu den thiotrophen Symbionten von B. azoricus und anderen Bathymodiolus-Wirten. Genomische Vergleiche thiotropher Symbionten verschiedener Bathymodiolus-Arten aus unterschiedlichen hydrothermalen Habitaten ergaben, dass es neben einem konservierten Kerngenom sehr variable akzessorische Genombereiche gibt. Zu den akzessorischen Genen, also jenen, die nicht konserviert sind, gehören im thiotrophen B. thermophilus-Symbionten die stark angereicherten, für Adhäsine, Toxine und Phagenabwehrproteine kodierenden Gene. Phylogenetische Analysen legen nahe, dass diese Anreicherung möglicherweise auf horizontalen Gentransfer und mehrere interne Genduplikationen zurückgeht. In anderen Symbionten könnten diese Genfunktionen durch alternative Mechanismen ersetzt worden oder überhaupt nicht erforderlich sein: Die methanotrophen Symbionten von B. azoricus haben beispielsweise das genetische Potenzial, Phagenabwehrfunktionen zu ergänzen. Somit ist die Zusammensetzung der akzessorischen Genome in Bathymodiolus-Symbionten offenbar Wirtsart- oder Lebensraum-abhängig, was möglicherweise die Anpassung der Muscheln an ihre jeweiligen Mikro- und Makroumgebungen erleichtert. Einhergehend mit dieser Hypothese konnten wir zeigen, dass die Symbiontenbiomasse in B. thermophilus- Muscheln, die nur einen thiotrophen Symbionten-Phylotyp beherbergen, erheblich höher ist als in B. azoricus, der sowohl thiotrophe als auch methanotrophe Symbionten enthält. Dies legt nahe, dass verschiedene Symbiontenzusammensetzungen in jeder Wirtsspezies unterschiedliche Mikroumgebungen innerhalb des Holobionts erzeugen. Mit dieser Studie liegt erstmalig ein umfassendes Bild der Wirts-Symbionten- Interaktions-Dynamik und der metabolischen Abhängigkeiten in Bathymodiolus- Muscheln vor, dass mittels kultivierungs-unabhängiger proteogenomischer Untersuchungen erstellt wurde und auch adaptive Unterschiede zwischen Muscheln verschiedener hydrothermaler Ökosysteme einschließt. Aufbauend auf der hier gezeigten Verflechtung von Stoffwechselwegen verschiedener Partner innerhalb der Symbiose werden weiterführende Studien sich der Frage widmen, wie sich aus zunächst fakultativen Partnerschaften obligate Abhängigkeiten entwickeln können. Die Entdeckung neuer Symbiose-spezifischer Anpassungen ebnet uns den Weg zu einem besseren Verständnis bisher unbekannter Mechanismen der Kolonisierung und Persistenz bakterieller Symbionten in eukaryotischen Wirten.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Dr. rer.nat Ruby PonnuduraiORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-26920
Title Additional (German):Chemo-Symbiose in Marine Muscheln – Entwicklung von Host-Symbiont-Interaktionen und symbiotischen Anpassungen
Referee:Prof. Dr. Thomas Schweder, Prof. Dr. Inna Sokolova
Advisor:Prof. Dr. Thomas Schweder
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Date of first Publication:2019/06/03
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2018/12/20
Release Date:2019/06/03
Tag:Bathymodiolus, host-symbiont, interactions, proteomics, symbiosis, vent
GND Keyword:Bathymodiolus symbiosis, Deep-sea hydrothermal vents, metabolic interactions
Pagenumber:1
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie