FREDI_Ecological diversification within the subspecies Polynucleobacter necessarius ssp. asymbioticus and environmental ecotype sorting

Das Ziel des Teilprojektes IP-2 ist es, die Mikroevolution von Ultramicrobacterien (definiert durch Zellvolumina < 0.1 m3) des Süßwassers zu verstehen und insbesondere die Mechanismen, die zur ökologischen Differenzierung unter nahe verwandten Bakterienstämmen führen zu erhellen. Tiefere Einblicke in diese Prozesse und Mechanismen sind nötig um die Diversität und Funktion natürlicher Bakteriengemeinschaften verstehen zu können. Als Modellgruppe für die beabsichtigten Untersuchungen wurden Bakterien der Unterart Polynucleobacter necessarius ssp. asymbioticus ausgewählt. Diese zu den Betaproteobacteria zählenden Bakterien sind kosmopolitische Vertreter des Süßwasserbakterioplanktons. Diese Unterart weist nicht nur eine weltweite Verbreitung auf, sie tritt auch ubiquitär in lentischen Süßgewässern auf und stellt bis zu 67% der Zellen des Bakterioplanktons. Die für die Unterart dokumentierte Euryökie und kosmopolitische Verbreitung ist jedoch wieder Erwarten nicht durch eine enorme Anpassungsfähigkeit und Konkurrenzstärke der Unterart, sondern durch eine Radiation in ökologisch unterschiedlich eingenischte Ökotypen zurückzuführen. So besiedeln manche Ökotypen saure Gewässer, andere aber alkalische Gewässer. Wahrscheinlich wird die Aufgliederung in Ökotypen durch die Bildung von Geotypen, die nur beschränkte Verbreitungsgebiete haben, überlagert. Die mikroevolutionäre Entstehung der Polynucleobacter Öko- und Geotypen soll mittels Genomsequenzierung und -analyse aufgeklärt werden. Hierzu sollen die Genome von 10 ausgewählten P. necessarius ssp. asymbioticus Stämmen in "draft Qualität" sequenziert (454 Pyrosequenzierung) und assembliert werden. Für die Assemblierung wird die vorhandene Komplettsequenz eines anderen Stammes der Unterart als Vorlage (Template) dienen. Durch vergleichende Analyse der Genomsequenzen soll geklärt werden, ob sich die ökologische Differenzierung eher durch den Erwerb adaptiver Gene mittels horizontalen Gentransfer oder durch Optimierung der vorhandenen Genausstattung mittels Mutation (Punktmutationen) und homologer Rekombination vollzieht. Die zehn für die Untersuchungen ausgewählten Stämme stammen aus ökologisch sehr unterschiedlichen Habitaten, wie z.B. aus sauren Moorgewässern, alkalischen Seen des Salzkammerguts, oligotrophen Gebirgsseen (Niedere Tauern), tropischen Gewässern, und einem antarktischen See. Weiterhin soll die geografische und ökologische Verbreitung verschiedener Öko- und Geotypen mittels neu entwickelter qPCR Assays dokumentiert werden. Die in diesem Teilprojekt etablierten Genomdaten werden für die Teilprojekte IP-1, IP-4, und IP-5 essentiell sein. Diese drei Teilprojekte werden die gelieferten Genomdaten zur Analyse der ökologischen Funktion der Polynucleobacter- Bakterien (Kohlenstoffkreislauf, etc.), sowie zur Analyse der Anpassung an oxidativen Stress nutzen. Für die Durchführung des Teilprojektes IP-2 ist die Anstellung eines PostDoc mit hervorragenden Kenntnissen auf dem Gebiet der Bioinformatik von großer Bedeutung. Insbesondere bei der Verarbeitung der gewonnenen Sequenzen (Assembly) und bei der vergleichenden Genomanalyse sind bioinformatische Kenntnisse des Projektangestellten essentiell.

Ziel des Projektes war die Erforschung der ökologischen Diversifizierung, also der Entstehung unterschiedlich angepasster Organismen, innerhalb einer Seen und Teiche bewohnenden Bakteriengruppe. Zu Projektbeginn war aufgrund zuvor erfolgter Untersuchungen für diese Bakteriengruppe (derzeit bekannt als Polynucleobacter necessarius Subspecies asymbioticus), eine nur mäßige ökologische Differenzierung, also Vorhandensein von nur leicht unterschiedlich angepasster Ökotypen, angenommen worden. Zu unserer Überraschung zeigte sich, dass diese Bakteriengruppe nicht wie bisher angenommen aus einer, sondern aus sehr vielen Arten besteht. Diese bilden einen sogenannten kryptischen Artenkomplex. Diese Erkenntnis ergab sich aus vergleichenden Genomuntersuchungen. Im Laufe der Untersuchungen wurden Vertreter von 70 der Wissenschaft bisher unbekannten Arten entdeckt. Zahlreiche dieser noch unbeschriebenen Arten leben in heimischen Gewässern. Bei der Untersuchung der Genome wurden zahlreiche Gene gefunden, die diesen Bakterien die Anpassung an unterschiedliche Gewässertypen, wie z.B. saure und alkalische Gewässer, ermöglichten. Die in diesem Projekt gewonnen Erkenntnisse vermitteln ein besseres Verständnis der Evolution und Diversität von Süßwasserbakterien und werden zudem in einer taxonomischen Revision der Gattung Polynucleobacter resultieren.