Microbial biogeography, carbon degradation, and temperature adaptation - Müller, Albert Leopold (2015)
Sulfatreduzierende Mikroorganismen (SRM) findet man in nahezu allen anoxischen Lebensräumen. Dort verwenden sie Sulfat als Elektronenakzeptor beim Abbau von organischen Verbindungen und tragen damit entscheidend zu den biochemischen Kreisläufen von Schwefel und Kohlenstoff bei. In dieser Dissertation beschäftigte ich mich hauptsächlich mit SRM und verwendete diese funktionelle Gruppe als Modellorganismen, um mehr über die generelle Ökophysiologie und Biogeographie von Mikroorganismen in marinen Sedimenten herauszufinden. Der letzte und energiekonservierende Schritt während der Reduktion von Sulfat durch SRM ist die Reduktion von Sulfit zu Sulfid. Katalysiert wird er durch ein Enzym namens Dissimilatorische (Bi-) Sulfitreduktase (DsrAB), einem Protein das in manchen schwefeloxidierenden Bakterien auch die umgekehrte Reaktion durchführen kann. DsrAB Gene werden häufig als funktionelle Marker für SRM und schwefeloxidierende Bakterien verwendet, was zur Anhäufung einer umfangreichen Menge an größtenteils uncharakterisierten dsrAB Sequenzen in öffentlichen Datenbanken geführt hat. Um eine Grundlage für großangelegte, dsrAB-basierte Ökologiestudien mit Hilfe moderner Sequenzier-methoden zu schaffen, erstellten wir eine umfassende, manuell kuratierte dsrAB/DsrAB Referenzdatenbank. Diese Datenbank verwendeten wir zur Erstellung einer stabilen DsrAB Konsensusphylogenie und zur Evaluierung der Abdeckung aller publizierten, dsrAB-spezifischen Primer. Außerdem konnten wir mit Hilfe eines neuentwickelten, mehrstufigen Klassifikationsystems erstmals alle dsrAB-Umweltsequenzen systematisch mehreren taxonomischen und/oder phylogenetischen Gruppen zuordnen. Mindestens 13 stabile phylogenetische Linien im Rang einer Familie beinhalteten keine dsrAB Sequenzen von bekannten, kultivierten Organismen, sondern ausschließlich Umweltsequenzen, was darauf hindeutet, dass bedeutende SRM-Taxa bislang noch nicht identifiziert wurden. Darüber hinaus wurden alle dsrAB-Sequenzen in weitgefasste Kategorien basierend auf ihrer ökologischen Herkunft oder Lebensweise eingeteilt und die Verbreitung der größeren phylogenetischen DsrAB-Linien in der Umwelt untersucht. Die meisten dsrAB Sequenzen stammen aus marinen Lebensräumen (31%), gefolgt von Sequenzen aus Süßwasser (24%), Industrie (16%) und Boden (11%). In den meisten größeren phylogenetischen Linien finden sich Vertreter aus vielen unterschiedlichen Habitaten, es gibt allerdings auch einige Ausnahmen, die auf eine Bevorzugung bestimmter Lebesräume hindeuten. Vor allem Sequenzen der DsrAB-Umweltlinien 2, 3 und 4 sind fast ausschließlich marinen Ursprungs, während Sequenzen der deltaproteobakteriellen Familien Desulfohalobiaceae und Desulfonatronumaceae in erster Linie aus Lebensräumen mit erhöhter Salzkonzentration bzw. erhöhtem pH-Wert stammen. Weiterführende, evolutionäre Analysen der dsrAB-Gene brachten unter anderem Hinweise auf möglichen lateralen Gentransfer von dsrAB in Phyla, in denen diese Gene erst kürzlich entdeckt wurden, nämlich in Vertretern der Actinobacteria, Aigarchaeota und Caldiserica. Wir untersuchten den Abbau von organischem Material in anoxischen, arktischen Meeressedimenten, wo SRM eine entscheidende Rolle spielen, indem sie den terminalen Mineralisierungsschritt beim Abbau von Kohlenstoffverbindungen katalysieren. In Inkubations-experimenten simulierten wir den Eintrag an komplexem organischen Material durch cyanobakterielle Biomasse oder setzten mit Azetat ein typisches Abbauzwischenprodukt zu. Anschließend beobachteten wir den Einfluss dieser Substratzugabe auf die Zusammensetzung der mikrobielle Gemeinschaft durch Pyrosequenzierung von 16S rRNA Gen- und cDNA Amplikons. Die cyanobakterielle Biomasse wurde haupsächlich zu Azetat, Format und Propionat fermentiert und der Verbrauch von Azetat, Propionat, Butyrat und Valerat wurde selektiv von SRM beeinflusst. Die Dynamik bakterieller 16S rRNA Phylotypen deutete darauf hin, dass die cyanobakterielle Biomasse primär von als Psychrilyobacter, Colwellia, Marinifilum und Psychromonas klassifizierte Phylotypen abgebaut wurden, während Azetat hauptsächlich von als Desulfobacteraceae, Desulfobulbaceae und Arcobacter klassifizierten Phylotypen genutzt wurde. Außerdem konnten wir einige mutmaßliche sulfatreduzierende Phylotypen unter den deltaproteobakteriellen Familien Desulfobacteraceae und Desulfobulbaceae identifizieren. Die Identifikation dieser Phylotypen liefert die Grundlage, um eine direkte Verbindung zwischen Identität und Funktion von im Kohlenstoffabbau involvierten Bakterien in diesen Sedimenten herzustellen. Nun können spezifischen Sonden designed werden, mit deren Hilfe der Einbau des Substrats durch Kombination von Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung mit Raman-Spektroskopie oder NanoSIMS gezeigt werden kann. Kalte Meeressedimente beherbergen häufig zusätzlich zur vegetativen mikrobiellen Gemeinschaft auch Sporen thermophiler Bakterien. Wir verwendeten diese scheinbar deplatzierten Organismen, die sich in einem Ruhestadium befinden und nicht der Selektion durch Umwelteinflüsse unterliegen, um selektiv den Beitrag der passiven Verbreitung auf die Biogeographie von Mikroorganismen zu erforschen. Eine globalen Biogeographiestudie von thermophilen Endosporen in 81 verschiedenen marinen Sedimenten zeigte, dass diese weit, aber nicht ubiquitär verbreitet sind und identifizerte insgesamt 146 16S rRNA Phylotypen auf Speziesebene. Die ungleichmäßigen räumlichen Verbreitungsmuster dieser Phylotypen lieferten erstmals Beweise für eine eingeschränkte Verbreitung bakterieller Endosporen, welche auf Grund ihrer Eigenschaften – hohe Widerstandsfähigkeit und Langlebigkeit – wesentlich weniger in ihrer Verbreitung eingeschränkt sein dürften als vegetative Zellen. Wir konnten mögliche globale Verbreitungswege von marinen Mikroorganismen aufzeigen, indem wir mit Hilfe von Netzwerkanalysen eine Reihe häufig gleichzeitig auftretender und über große Distanzen verbreiteter Phylotypen identifizieren konnten. Regionen, die relative isoliert von den globalen Meereströmung sind, zeichneten sich durch einen geringeren Artenreichtum an thermophilen Endosporen aus. Das deutet darauf hin, dass die Auswirkung von passiver Verbreitung auf die mikrobielle Biogeographie in marinen Sedimenten von der Konnektivität der lokalen Wassermassen zur globalen Meereszirkulation gesteuert wird. Eine eingehendere Untersuchung von zwei arktischen Regionen, der Inselgruppen Svalbard und der Baffin Bay, zeigte den Einfluss der lokale Hydrographie auf die Verbreitung thermophiler Endosporen. Die biogeographischen Verbreitungsmuster von vegetativen Zellen, im Gegensatz zu jenen von Endosporen, kommen größtenteils durch Umweltfaktoren, wie beispielsweise Temperatur, zustande. Um die temperaturabhängige Verbreitung und Diversität von Mikroorganismen in marinen Ökosystemen zu verstehen, untersuchten wir die Reaktion von SRM-Gemeinschaften in polaren, gemäßigten und tropischen Meeressedimenten auf Temperaturänderung und konnten zeigen, dass die optimale Temperatur für Sulfatreduktion durch die mittlere Umgebungstemperatur reguliert wurde. Außerdem korrelierte die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft der mutmaßlichen Sulfatreduzierer mit den Jahresmitteltemperaturen, nicht aber mit der Konzentration des organischen Kohlenstoffs in den Sedimenten oder dem C:N Verhältnis des organischen Materials. Das deutet darauf hin, dass die vorherrschende Umgebungstemperatur die Zusammensetzung der sulfatreduzierenden mikrobiellen Gemeinschaft maßgeblich bestimmt, in dem sie auf jene SRM selektiert, die am besten an die herrschenden Temperaturen angepasst sind und impliziert, dass Temperatur ein wesentlicher, bestimmender Faktor für die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften in marinen Sedimenten ist. Die in dieser Dissertation präsentierte Forschung beinhaltet eine umfassende Analyse der Umweltdiversität und Phylogenie der SRM und anderen dsrAB-enthaltenden Organismen, beginnt die Identität von Mitgliedern der mikrobiellen Gemeinschaft in arktischen Meeressedimenten mit ihrer Rolle während des Abbaus organischer Verbindungen zu verknüpfen und bietet neue Perspektiven auf den Einfluss von passiver Verbreitung und Temperatur auf die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften im Meeresboden. Sulfate-reducing microorganisms (SRM) are ubiquitous in anoxic habitats, where they fulfill an important role in the biochemical cycling of sulfur and carbon by using sulfate as terminal electron acceptor in the degradation of organic compounds. In this thesis, I focused on SRM and used them in my research as model organisms to study the ecophysiology and biogeography of microorganisms in marine sediments. The last and main energy-conserving step during sulfate respiration is the reduction of sulfite to sulfide. It is catalyzed by the dissimilatory (bi)sulfite reductase (DsrAB), which can also perform the reverse reaction in some sulfur-oxidizing bacteria. DsrAB genes are commonly used as functional markers for SRM and sulfur-oxidizing bacteria and an extensive amount of largely uncharacterized dsrAB sequence data has thus accumulated in public databases. In order to establish a foundation for large-scale dsrAB ecology studies with next-generation sequencing methods, we compiled a comprehensive, manually curated dsrAB/DsrAB reference database. We used this database to construct a robust DsrAB consensus phylogeny and to evaluate the coverage of all published dsrAB-targeted primers. Furthermore, we systematically categorized all environmental dsrAB sequences according to a new operational classification system at multiple taxonomic and phylogenetic levels. Environmental dsrAB sequences constituted at least 13 stable family-level lineages without any cultivated representatives, suggesting that major SRM taxa have not yet been identified. Additionally, we investigated the environmental distribution of the major phylogenetic DsrAB lineages by assigning dsrAB sequences to broad categories based on environmental origin or lifestyle. Most sequences are derived from marine environments (31%), followed by freshwater (24%), industrial (16%) and soil environments (11%). Members of most major DsrAB lineages are widely distributed among various different environments with a few exceptions that are indicative of environmental preference. Most notably, sequences of uncultured DsrAB family-level lineages 2, 3 and 4 were almost exclusively of marine origin, whereas sequences assigned to the deltaproteobacterial families Desulfohalobiaceae and Desulfonatronumaceae derive predominantly from high-salt and/or high-pH environments. Furthermore, we reanalyzed the evolutionary history of dsrAB. We obtained evidence for possible lateral gene transfer of dsrAB in members of phyla in which dsrAB has only recently been discovered, namely Actinobacteria, Aigarchaeota, and Caldiserica, and provided support for the proposed early evolution of DsrAB as a reductive enzyme. We investigated the degradation of organic matter in anoxic Arctic marine sediments, during which SRM perform a crucial role by catalyzing the terminal carbon mineralization step. Incubations were amended with cyanobacterial biomass as a model substrate mixture for complex organic matter input and acetate as a typical degradation intermediate and the response of the microbial community was monitored by 16S rRNA gene and cDNA amplicon pyrosequencing. The main fermentation products of cyanobacterial biomass were acetate, formate, and propionate and the consumption of acetate, propionate, butyrate, and valerate was selectively impacted by SRM. Bacterial 16S rRNA phylotype dynamics suggested that phylotypes classified as Psychrilyobacter, Colwellia, Marinifilum, and Psychromonas were the primary degraders of cyanobacterial biomass while acetate was mainly utilized by phylotypes classified as Desulfobacteraceae, Desulfobulbaceae, and Arcobacter. Additionally, several putative sulfate-reducing phylotypes were identified among the deltaproteobacterial families Desulfobacteraceae and Desulfobulbaceae. Identification of these phylotypes provides a foundation for directly linking identity and function of carbon degrading bacteria in these sediments by enabling the design of specific probes to confirm substrate incorporation by combining fluorescence in situ hybridization with Raman spectroscopy or NanoSIMS. Cold marine sediments frequently harbor endospores of thermophilic bacteria in addition to the vegetative microbial community. These seemingly misplaced organisms, which are dormant and not subject to environmental selection, were used to selectively investigate the contribution of passive dispersal to microbial biogeography. We conducted a global experimental survey of thermophilic endospores in 81 different marine sediments. We could show that they are widely but not ubiquitously distributed and identified 146 species-level 16S rRNA phylotypes. Non-uniform spatial distribution patterns of these phylotypes provided evidence of dispersal limitation in bacterial endospores, which are, based on their inherent properties like high durability and longevity, much less likely to be dispersal limited than vegetative cells. Possible global dispersal routes of marine microorganisms were highlighted by using network analysis to identify frequently co-occurring phylotypes that were widely distributed across great distances. Oceanic regions with increased isolation from global ocean currents were characterized by lower thermophilic endospore richness, suggesting that the impact of passive dispersal on marine microbial biogeography is controlled by the connectivity of local water masses to ocean circulation. Closer investigation of two Arctic regions, the Svalbard archipelago and the Baffin Bay, showed that local hydrography shapes the distribution of thermophilic endospores. The biogeographic patterns of vegetative cells, in contrast to those of endospores, are in large part due to environmental factors, such as temperature. In order to gain an understanding of the temperature-dependent distribution and diversity of microorganisms in marine ecosystems, we investigated the thermal response of SRM communities in polar, temperate, and tropical marine sediments. We could show that the optimal temperature for sulfate reduction was regulated by the mean ambient temperature and that the community structure of putative SRM correlated of with mean annual temperature, but not with sediment organic carbon concentrations or C:N ratios of organic matter. This indicates that temperature structures the sulfate-reducing community by selecting for different SRM that are best adapted to the prevailing temperatures and implies that temperature is a major determinant of microbial community composition in marine sediments. In summary, the research presented in this thesis comprises an encompassing analysis of environmental diversity and phylogeny of SRM and other dsrAB-containing organisms, begins linking the identity of members of the bacterial community in Arctic marine sediments to their role during the degradation of organic matter, and provides new perspectives on how passive dispersal and temperature shape microbial community composition in the sea floor.