Vergleichende (Meta-)Genomik mariner, Polysaccharid-abbauender Bakterien mit Schwerpunkt auf CAZyme- und PUL-Analysen in Bacteroidetes

• Antragsteller: Professor Dr. Rudolf Amann; Dr. Hanno Teeling
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277249973

Teilprojekt B1 fokussiert sich auf vergleichende (Meta-)Genomik Polysaccharid-abbauender Bakterien. Marine Phytoplankton-Blüten sind Schlüsselereignisse im globalen Kohlenstoffkreislauf. Sie entfernen Gigatonnen atmosphärischen CO2 und triggern sukzessive Blüten heterotropher Bakterioplankton-Gruppen, welche das Gros des fixierten Kohlenstoffs remineralisieren. Vor POMPU haben wir Sukzessionen während vier Frühjahrsblüten vor der Nordseeinsel Helgoland untersucht (2009-2012). Mittels eines integrativen OMICS-Ansatzes konnten wir zeigen, dass wiederkehrende, abundante Bakterioplankton-Gruppen deutlich verschiedene Substratspektren aufweisen. Insbesondere in Bacteroidota beobachteten wir eine Häufung sowie Expression "carbohydrate-active enzymes (CAZymes)"-kodierender Gene, was eine Spezialisierung auf den Abbau von Algenpolysacchariden indiziert. Gene für Aufnahme und Abbau von Polysacchariden sind in Bacteroidota zumeist in dedizierten Loci organisiert, sog. PULs (polysaccharide utilization loci). PUL-Analysen wiederum erlauben Aussagen über das potentielle Polysaccharid-Substrat.Unsere bisherige Rolle in POMPU war das Studium des marinen Polysaccharid-Abbaus durch vergleichende Genomanalysen von (i) Isolaten und (ii) größenfraktionierter mikrobieller Lebensgemeinschaften. In der ersten Projektphase haben wir (i) PUL-Repertoires von 53 Stämmen von Nordsee-Bacteroidota und (ii) eine Zeitreihe von 38 gebinnten, taxonomisch klassifizierten Nordsee-Metagenomen untersucht, um die PUL-Repertoires abundanter Bakterien in der planktonischen 0.2-3 μm-Fraktion offenzulegen, inklusive bislang nicht-kultivierter Bacteroidota. In der zweiten Projektphase haben wir uns fokussiert auf (i) ökologische Nischen von Gammaproteobacteria während Helgoland Frühjahrsblüten, (ii) vergleichende Genomik planktonischer vs. partikelassoziierter Bacteroidota (3-10 µm und >10 µm) während der 2018er Frühjahrsblüte, und (iii) Genexpressionsanalysen distinkter Bakterioplankton-Gruppen während der 2020er Frühjahrsblüte mittels einer Kombination aus Metagenomik, -transkriptomik und -proteomik (A1, Z). Die beiden letztgenannten Ansätze haben umfassende Datensätze generiert, deren Analysen in integrierte Interpretationen zweier sehr gegensätzlicher Blüten münden wird.Während der POMPU-Verlängerung möchten wir die Analysen der 2018er und 2020er Blüten abschließen und diese mit Daten partikelassoziierter Bakterien der 3- 10 μm Fraktion komplementieren, und zwar im Hinblick auf eine höhere Qualität von MAGs (metagenome-assembled genomes) und zeitlich hochaufgelöster Metatranskriptomik. Diese Daten bilden zudem die Basis für laufende Arbeiten in den Teilprojekten B3, B2 und A1. Darüber hinaus werden wir uns auf detaillierte Studien wenig untersuchter Polysaccharid-abbauender Gruppen fokussieren, Saccharid-Messungen (A4) mit OMICS-Daten integrieren, sowie Gen-FISH-Experimente zur Visualisierung ausgesuchter PULs in planktonischen und partikelassoziierten Bakterien (B2) unterstützen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2406: Proteogenomik der Marinen Polysaccharid Verwertung (POMPU)