Cyanobacterial populations in the world-wide distributed Tidal Flats regions
Final Report Abstract
Erstmalig wurde hier die Diversität von Cyanobakterien mariner mikrobieller Matten aus unterschiedlichen Klimazonen (arktisch bis subtropisch-arid) mit Hilfe der Illumina MiSeq Technologie untersucht, die bisher unbekannte Einblicke in die mikrobielle Diversität erlaubt. Während unserer Studie wurden 16S rRNA-Sequenz-Analysen an Proben von 5 geographisch unterschiedlichen Standorten durchgeführt, deren Ergebnisse die Variabilität in der Zusammensetzung der mikrobiellen Lebensgemeinschaft sowohl innerhalb als auch zwischen den Standorten zeigten. Innerhalb der einzelnen Standorte wurden spezifische Muster und Präferenzen in Abhängigkeit zur Korngröße detektiert. Eine große Anzahl an standortspezifischen OTUs mit einem Maximum in den Oman-Proben konnte nachgewiesen werden und nur eine einzige OTU kam in Proben aller Standorte vor. Die Oman-Proben zeigten die höchste phylogenetische Diversität, die Island-Proben die niedrigste, was wohl auf die geringeren Temperaturschwankungen im Jahresverlauf und die dadurch bedingte wesentlich längere Vegetationsperiode in tropischen Regionen zurückzuführen ist. Abgesehen von spezifischen Ergebnissen zur Ökologie und Mikrobiologie lieferte unser Projekt auch wichtige methodische Ergebnisse zur NGS und zur Behandlung von Proben. Ergebnisse: Cyanobakterien zeigen als potentielle Pionierorganismen eine hohe Diversität in wenig entwickelten mikrobiellen Matten und an funktionell wenig komplexen Standorten. Während der beginnenden Formation einer Matte versuchen viele verschiedene, aber gleichmäßig verteilte Pionierorganismen einen neuen oder zuvor zerstörten Standort zu besiedeln (hohe Diversität), die meisten von ihnen werden später allerdings von wenigen dominanten und konkurrenzstärkeren Taxa sukzessive auskonkurriert (sinkende Diversität). - Eine phototrophe Lebensweise scheint besonders in weniger entwickelten Matten von Vorteil zu sein. - Spezialisten sind an extremen Standorten konkurrenzstärker als weniger spezialisierte Organismen, die ihrerseits passendere Bedingungen an weniger extremen Standorten finden und dort den Konkurrenzkampf gewinnen. - Filamentöse Arten wie Oscillatoriales tragen besonders zur Stabilisierung des Sediments bei und sind daher konsequenterweise vorwiegend in stabilisierten und geschichteten Matten zu finden. - Die funktionelle Komplexität nimmt mit der sukzessive steigenden Stabilisierung einer Matte zu. - Der Sediemnttyp und insbesondere die Korngröße sind wichtige Faktoren für kolonisierende Organismen, da sie diverse abiotische Parameter sowohl durch unterschiedliche Kohäsionskräfte (Wasser, organisches Material, Mineralien) und Permeabilität (Licht, Sauerstoff) als auch durch unterschiedliche Sedimentations- und Erosionsraten beeinflussen. - Coelofasciculus chthonoplastes wurde an allen 5 Standorten nachgewiesen. Überraschend war allerdings die hohe Sequenz-Diversität innerhalb dieser Art. Bei der Analyse des 16S rRNA Gen- Fragments fanden sich Hinweise auf häufige genetische Rekombination und gewisse Anzeichen für eine geographische Unterteilung der Coleofasciculus Population innerhalb des Untersuchungsgebiets. - Die erhöhte Dominanz von Lyngbya in gewöhnlich nährstoffarmem, grobkörnigem Sediment und die von erhöhte Dominanz von Coleofasciculus in schlickigem Sediment mit mehr organischem Material und Mineralien ist mit der Fähigkeit verknüpft, Stickstoff zu fixieren, die bisher nur für Lyngbya aktiv nachgewiesen werden konnte. - Die annuelle Sukzession und das Wachstum mikrobieller Matten in Hooksiel (Nordsee) begann im Frühling und erreichte ein Maximum im Spätsommer und Herbst mit höchsten Individuenzahlen und einer gut stabilisierten und geschichteten Struktur. - Die meisten cyanobakteriellen Taxa in Hooksiel konnten das ganze Jahre über detektiert werden, allerdings mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in verschiedenen Sedimenttypen, was für mögliche Migrationsprozesse zwischen den einzelnen Sedimettypen im Laufe eines Jahres spricht. - In Hooksiel zeigten die während des gesamten Jahres dominierenden Gattungen Coleofasciculus und Lyngbya ein Maximum an relativer Sequenzabundanz in den Winter-Proben, in denen sowohl der Konkurrenzkampf als auch die Anzahl der Individuen/Menge an Biomasse sehr gering war. - In den mikrobiellen Matten aus Hooksiel war die Diversität zwischen unterschiedlichen Sedimenttypen weniger ausgeprägt als die Unterschiede zwischen unterschiedlichen Jahreszeiten. - Die Analyse der Archaeen in den Oman-Proben ergaben einen hohen Anteil an bisher unbekannten oder nicht identifizierten Taxa (bis zu 40%) mit vorwiegend sehr geringer Ähnlichkeit zu Einträgen in der NCBI Datenbank. Diese Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit weiterer und detaillierterer Studien zu Archaeen in hypersalinen Wattgebieten. - Der Vergleich von Sequenzierungs-Ergebnissen der Illumina MiSeq und der Roche 454 Technologie zeigte, dass MiSeq nicht nur zu mehr Sequenzen pro OTU führt, sondern sich auch die Anzahl der OTUs deutlich erhöht (steigende Richness) und auch seltenere Organismen und dadurch ein größerer Teil der gesamten Lebensgemeinschaft detektiert werden konnten (höhere Abdeckung/Auflösung), was jedoch keine größeren Auswirkungen auf die Abschätzung der Diversitäts hatte. - Die Wahl der sequenzierten 16S rRNA Gen-Region hat Auswirkungen auf die Ergebnisse.
Publications
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