TY  - THES
A1  - Glöckner, Volker
T1  - Untersuchungen zur Diversität, Abundanz und vertikalen Weitergabe von Bakterien in marinen Schwämmen
T1  - Investigation of the diversity, abundance and vertical transmission of bacteria in marine sponges
N2  - Marine Schwämme (Phylum Porifera) gehören mit ihrem ersten Auftreten im Präkambrium vor ungefähr 580 Millionen Jahren zu den ältesten Vertretern der Metazoen weltweit. Ähnlich lange leben sie wahrscheinlich schon in Symbiose mit Mikroorganismen. In der vorliegenden Doktorarbeit soll der karibische Schwamm Ectyoplasia ferox als Modellsystem zur Erforschung der Schwamm-assoziierten mikrobiellen Konsortien, deren Weitergabe und Interaktionen mit dem Schwamm, vorgestellt werden. Mit Hilfe von 16S rRNA-Genbanken sowie der denaturierenden Gradienten-Gelelektrophorese (DGGE) konnte gezeigt werden, dass Symbionten aus sechs der in E. ferox gefundenen acht Phyla sowie der „sponge-associated unclassified lineage” SAUL vertikal an die nächste Schwammgeneration weitergegeben werden. Mittels phylogenetischer Analysen wurden insgesamt 21 „vertical transmission“ (VT) Cluster identifiziert, von denen 19 in „sponge specific“ Cluster (SSC) bzw. „sponge coral“ Clustern (SCC) lagen. Daraus kann man schließen, dass ein Großteil des mikrobiellen Konsortiums von E. ferox über die reproduktiven Stadien weitergegeben wird. Auch konnten zwei Cyanobakterien identifiziert werden, die nicht in den reproduktiven Stadien vorhanden waren und höchstwahrscheinlich horizontal aus dem umgebenden Meerwasser aufgenommen wurden. Eine Reduzierung von 50% der Symbionten im Mesohyl nach dem „spawning“ zeigte erstmalig experimentell auf, dass Schwammsymbionten aus dem Schwamm in das umgebende Meerwasser gelangen können. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal der „presence vs. activity“-Vergleich zur Feststellung der metabolischen Aktivität von Bakterien auf die DGGE-Methode übertragen. Es konnte gezeigt werden, dass die meisten mikrobiellen Symbionten im Adult-Schwamm, Embryo- sowie Larvalstadium metabolisch aktiv waren. Erste Versuche die Anzahl von Symbionten in den Larven von E. ferox mittels Antibiotika zu reduzieren, verliefen positiv. So wiesen die mit Antibiotika behandelten Larven in der DGGE eine deutliche Reduzierung der Bandenintensität auf. Die Verfügbarkeit aller reproduktiver Stadien von E. ferox sowie die Möglichkeit die Larven im Labor experimentell zu manipulieren, machen E. ferox zu einem geeigneten Modellschwamm für zukünftige Studien bezüglich der vertikalen Weitergabe von Symbionten.
N2  - Marine sponges (Phylum: Porifera) first appeared during Precambrian times 580 million years ago and are therefore the oldest metazoans on earth. It is most likely that they are living together in symbiosis with microorganisms from that day on. In this doctoral thesis I introduce the Caribbean sponge Ectyoplasia ferox as a model system for detailed investigations of the sponge associated microbial community, their mode of transmission to the next generation and interactions with their host sponge. The application of 16S rRNA gene clone libraries and denaturing gradient gel electrophoreses (DGGE) revealed that symbionts from six out of eight bacterial phyla as well as the ‘sponge-associated unclassified lineage’ (SAUL) were vertically transmitted to the next sponge generation. Phylogenetic analysis identified 21 vertical transmission (VT) clusters, from which 19 VT-clusters were affiliated with sponge-specific clusters (SSC) and sponge-coral clusters (SCC), respectively. This indicated that the majority of the microbial consortia of E. ferox has been passed on vertically via reproductive stages to the next generation. Furthermore two cyanobacterial clades were identified, which were absent from the reproductive stages and therefore seem to have be acquired horizontally from the surrounding seawater. Spawning led to a reduction of 50% of the sponge symbionts in the mesohyl, presenting for the first time experimental evidence, as to how sponge symbionts could end up in surrounding seawater. Moreover the presence vs. activity comparison that was undertaken to assess the metabolic activity of bacteria inside reproductive stages has been applied to DGGE for the first time. The results showed that most of the symbionts were metabolically active in the adult sponge as well as in the embryos and larvae. Initial experiments to reduce the amount of symbiotic bacteria inside larvae were positive. In the antibiotic treated larvae, the DGGE pattern showed a significantly reduced banding pattern intensity. The availability of E. ferox and its reproductive stages, as well as the possibility to maintain and to manipulate larvae in the laboratory makes E. ferox a suitable model-system for future research on vertical transmission.
KW  - Meeresschwämme
KW  - Bakterien
KW  - vertikale Weitergabe
KW  - Schwammsymbionten
KW  - Mikroorganismen
KW  - Symbionten
KW  - vertical transmission
KW  - sponge
KW  - microorganism
KW  - symbionts
KW  - Symbiose
KW  - Vertikale Übertragung
KW  - Schwamm
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-79327
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wehrl, Markus
T1  - Bakterielle Aufnahme, Selektivität und interne Prozessierung bei marinen Schwämmen (Porifera)
T1  - Bacterial uptake, selectivity and internal processing of marine sponges (Porifera)
N2  - Marine Schwämme (Porifera) gelten als die evolutionär ältesten Metazoen. Sie sind in allen Meeren verbreitet und tragen einen großen Anteil zur Invertebraten-Fauna bei. Ihrer Lebens-weise als Filtrierer entsprechend pumpen Schwämme bis zu 23.000 l Seewasser Kg-1 Schwamm Tag-1. Das enthaltene Bakterioplankton wird mit hoher Effizienz ausgefiltert und dient als Nahrung. Gleichzeitig enthalten einige Schwammspezies eine sehr hohe Anzahl phylogenetisch diverser Bakterien extrazellulär in der Mesohylmatrix, die bis zu 40% der Gesamtbiomasse ausmachen. Die als Symbionten bezeichnete Bakteriengemeinschaft weist eine hochgradig spezifische phylogenetische Zusammensetzung auf, die bei unterschiedlichen Schwammspezies, jedoch nicht im Seewasser oder Sediment, gefunden wird. Im Rahmen dieser Dissertationsarbeit wurden unterschiedliche Muster der Bakterien-haltigkeit mariner Schwämme durch Elektronenmikroskopie beschrieben. Die Gruppe der bakterienhaltigen Schwämme wies eine hohe Anzahl von Mikroben im Mesohyl auf. Aufgrund der bakteriellen Verteilung wurde zwischen stark und intermediär bakterienhaltigen Spezies unterschieden. Stark bakterienhaltige Schwämme zeigten eine gleichmäßig dichte Verteilung der Mikroben im Mesohyl, die Bakterienkonzentrationen lagen bei 109 - 1010 Zel-len g-1 Schwamm. Intermediär bakterienhaltige Schwämme enthielten lokale Anhäufungen von Mikroben, die in allen Stellen des Tieres gefunden wurden. Die Zellzahlen lagen bei 108 – 109 Bakterien g-1 Schwamm. Die Gruppe der bakterienarmen Schwämme wurde durch ein mikroskopisch bakterienfreies Mesohyl charakterisiert, die Bakterienkonzentrationen betrugen ~106 Zellen g-1 Schwamm und waren damit vergleichbar zu natürlichem Seewasser. In Korrelation zum Bakteriengehalt wurden anatomische Unterschiede des Gewebes beider Schwammgruppen beobachtet. Die bakterielle Aufnahme von Schwämmen wurde an einzelnen Individuen in Filtra-tionsexperimenten untersucht. Es wurde die Aufnahme des „Futterbakteriums“ Vibrio sp. SB177 und des schwammspezifischen Symbiontenkonsortiums gemessen. Die bakterien-haltigen Schwämme Aplysina aerophoba und Chondrosia reniformis wiesen im Vergleich zu „Futterbakterien“ eine sehr stark verminderte Aufnahme gegenüber ihren eigenen Symbionten auf, bei A. aerophoba sank die Filtrationsrate von rn = 2,76 x 106 auf 5,47 x 104 Bakterien g-1 Schwamm h-1. Die bakterienarmen Schwämme Dysidea avara und Tethya aurantium zeigten eine effiziente und undifferenzierte Aufnahme gegenüber allen Mikroben. Das nur bei bak-terienhaltigen Schwämmen gefundene Muster der stark verminderten Aufnahme von Symbi-onten ist statistisch signifikant. Untersuchungen zum Einfluss abdaubarer bakterieller Zell-wandproteine und der bakteriellen Flagelle erbrachten keine Hinweise auf eine Beteiligung dieser Faktoren am bakteriellen Filtrationsprozess der Schwämme. Zur Untersuchung einer möglichen Filtrationsselektivität gegenüber bestimmten bak-teriellen Vertretern des Seewasser- und des Symbiontenkonsortiums wurden Filtrationsexperi-mente durchgeführt. Proben des Inkubationswassers wurde während des Experiments entnom-men und die phylogenetische Zusammensetzung der Konsortien mittels Denaturierender Gradienten Gel Elektrophorese (DGGE) untersucht. Die Banden wurden anhand der Stärke über den zeitlichen Verlauf klassifiziert. Von den anfänglich 40 nachweisbaren Banden des Seewasserkonsortiums wurden nach 300 Minuten experimenteller Dauer eine als konstant, 18 als reduziert und 21 als verschwindend eingeordnet. Für das Symbiontenkonsortium wurden von den initial 65 Banden nach 300 Minuten 30 Banden als konstant, 19 als reduziert und 16 als verschwindend klassifiziert. Während für das Seewasserkonsortium eine Aufnahme fast aller bakterieller Phylotypen überwog, unterlagen nur wenige Phylotypen des Symbionten-konsortiums einer starken Aufnahme. Durch Sequenzierung und phylogenetische Zuordnung repräsentativer Banden wurde gezeigt, dass für die bakterielle Aufnahme keine Selektivität gegenüber einer bestimmten phylogenetischen Abstammungslinie besteht. So wurden z. B. Phylotypen der Chloroflexi als konstant, reduziert, als auch verschwindend beurteilt. Die interne Prozessierung und der Transport aufgenommener Partikel und Bakterien im Mesohyl wurde mikroskopisch untersucht. A. aerophoba transportierte große Aggregate aufgenommener Latex Beads in speziellen Schwammzellgruppen durch das Mesohyl. Es konnte keine Abgabe der Beads in die extrazelluläre Matrix (ECM) beobachtet werden. D. avara transportierte einzelne Beads durch das Mesohyl, nach 300 Minuten wurden zahlreiche Beads in der ECM gefunden. Die bakterielle Aufnahme wurde an dem GFP-exprimierenden „Futterbakterium“ Vibrio sp. MMW1 visualisiert. Die Bakterien wurden mit hoher Effizienz von A. aerophoba aufgenommen, konnten jedoch nicht in tieferen Mesohylbereichen nach-gewiesen werden, was auf eine zügige Lyse der Zellen hindeutete. Fluoreszenzmarkierte Symbiontenzellen wurden nicht von A. aerophoba aber, in Übereinstimung mit den Filtrationsexperimenten, von dem bakterienarmen D. avara aufgenommen. Die Ergebnisse belegen, dass bakerienhaltige Schwämme über einen komplexen Mechanismus der bakteriellen Aufnahme verfügen, durch den zwischen Futterbakterien und Symbionten unterschieden wird. Schwämme stellen deshalb ein interessantes Modellsystem zur Untersuchung von Mechanismen der generellen Phagozytose und der gleichzeitigen Tolerierung von symbiontischen Bakterienzellen im Gewebe dar.
N2  - Marine sponges (Porifera) are probably the oldest metazoans on earth. Whereas they are abundant in all seas, they contribute significantly to the marine invertebrate fauna. As filter feeders, sponges process enormous volumes of water, ranging up to 23,000 l seawater Kg-1 sponge day-1. During the passage through the animal’s body, the bacterioplankton is retained. Despite the fact that sponges feed on these bacteria, some species harbour large amounts of bacteria intercellularly within the mesohyl matrix that amount to up to 40 % of the sponge biomass. These bacteria, termed symbionts, make up a highly sponge specific bacterial consortia that is shared by different sponge species, but not found in surrounding seawater or sediments. In this PhD thesis, electron microscopy was conducted to analyse patterns of bacterial content of different sponge species. The group of the bacteriosponges contained high numbers of symbionts. Due to the bacterial distribution in the mesohyl species were differentiated into “high-microbial-abundance sponges” and “intermediate-microbial-abundance sponges”. The former harboured a high number of uniformly distributed cells with bacterial concentrations in the range of 109 - 1010 cells g-1 sponge. “Intermediate-microbial-abundance sponges” showed clusters of symbiont cells that were evenly distributed in the mesohyl, the symbiont concentration amounted to 108 - 109 cells g-1 sponge. The group of the “low-microbial-abundance sponges” were characterized by a mesohyl essentially free of bacterial cells. The quantification of microorganisms gave concentrations of about ~106 cells g-1 sponge, equivalent to the concentration of natural seawater. Observed differences of tissue anatomy correlated with the microbial content of various species. The bacterial retention of sponge individuals was tested for the food bacterium Vibrio sp. SB177 and sponge symbiont consortia. The bacteriosponges Aplysina aerophoba and Chondrosia reniformis showed a strongly reduced uptake for the sponge symbiont consortia compared to food bacteria, for A. aerophoba the retention rates dropped from rn = 2,76 x 106 to 5,47 x 104 bacteria g-1 sponge h-1. The “low-microbial-abundance sponges” Dysidea avara and Tethya aurantium exhibited an efficient and unselective uptake of all tested bacteria. The pattern of strongly reduced uptake of symbionts by their own hosts is statistically significant. Investigations concerning the influence of bacterial cell wall structures like the flagella or enzymatically degradable cell wall proteins showed no effect. To investigate the filtration selectivity against certain bacterial lineages of the seawater and symbiont consortia, filtration experiments were undertaken. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) was used to monitor the composition of bacterial consortia in the incubation water during the experiments. Bands were classified according to their intensity over time. For the seawater consortia, initially 40 bands were detected and after 300 minutes, one band was classified as constant, 18 as reduced and 21 as disappearing. The symbiont consortia was initially made up of 65 bands and after 300 minutes 30 bands were assessed as constant, 19 as reduced and 16 as disappearing. Whereas for the seawater consortia the majority of phylotypes was taken up, only a small number of symbiont phylotypes disappeared. By sequencing and taxonomic affiliation of representative bands, it was concluded that filtration selectivity against certain phylogenetic lineages was not apparent. For example, phylotypes affiliated to the Chloroflexi, were judged as constant, as well as intermediate and reduced. Internal processing and transport of ingested particles was microscopically investigated using latex beads. A. aerophoba transported large aggregates of beads through the mesohyl, with the beads carried by special groups of sponge cells. A disposal of beads into the extracellular matrix was not observed. In contrast, D. avara conveyed single beads through the mesohyl and after 300 minutes a release into the extracellular matrix was evident. The uptake of bacteria was investigated using the GFP-expressing food bacterium Vibrio sp. MMW1. In A. aerophoba fluorescent cells were observed in the tissue adjacent to the water system but failed to be detected in deeper mesohyl regions, indicating a fast digestion of bacterial cells. Fluorescently labeled symbionts were not taken up by A. aerophoba but were detected numerously in the mesohyl of the “low-microbial-abundance sponge” D. avara, consistent with the filtration experiments. The overall results of this PhD thesis point out that bacteriosponges possess a complex mechanism of bacterial uptake that accounts for the differentiation between food bacteria and the symbiont consortia. Hence, bacteriosponges are an interesting model system to investigate the mechanisms of general phagocytosis and simultaneous toleration of intercellular symbiotic bacteria.
KW  - Meeresschwämme
KW  - Symbiose
KW  - Bakterien
KW  - marine Schwämme
KW  - Symbiose
KW  - Bakterien
KW  - bakterielle Aufnahme
KW  - Selektivität
KW  - marine sponges
KW  - symbiosis
KW  - bacteria
KW  - bacterial uptake
KW  - selectivity
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21660
ER  -