Cymbiomics: Komplexe organismische Wechselwirkungen und ein Hochdurchsatzansatz zur Ermittlung der symbiotischen Kompetenz von Cyanobakterien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Jan de Vries; Dr. Sophie de Vries
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 515101361

Symbiosen von Cyanobakterien und eukaryotischen Wirten hatten einen entscheidenden Einfluss auf die Evolution des Lebens. Letztlich war es ein cyanobakterieller Symbiont aus dem die Photosynthesekompartimente pflanzlicher Zellen, die Chloroplasten, hervorgingen. Während diese Symbiose auf der Fixierung von CO2 fußte, gibt es noch eine weitere biochemische Eigenschaft die Cyanobakterien in Symbiosen (Cyanobionten) aufbieten können: Stickstofffixierung. Teils sind stickstofffixierende Cyanobionten komplett in den Wirtskörper integriert. Solche Symbiosen sind besonders in bestimmten Landpflanzen (Embryophyta) zu finden, aber auch für den Pilz Geosiphon bekannt — welcher ein natürliches Habitat in der Nähe von Göttingen hat. Durch die Vielfältigkeit der unabhängig evolvierten symbiotischen Interaktionen zwischen Cyanobakterien und multizellulären Wirten, ergibt sich die Frage welche genetischen Eigenschaften die symbiotische Kompetenz von Cyanobakterien ausmacht. Eine Gemeinsamkeit aller cyanobakterieller Symbiosen ist, dass komplexe Wechselwirkungen zwischen Wirt, Cyanobionten und einer vielfältigen Gemeinschaft von weiteren Mikroorganismen auftreten. Unsere Arbeitshypothese ist, dass jene Cyanobakterien, die in Symbiose eintreten können, die Fähigkeit haben müssen, nicht nur mit ihren Wirten zu kommunizieren, sondern auch in einem organismenreichen Biofilm zu funktionieren — und diesen vielleicht sogar entscheidend zu formen. Daraus ergeben sich zwei Fragen, denen wir in unseren geplanten Arbeiten nachgehen möchten: i) Was definiert die symbiotische Kompetenz bestimmter Cyanobakterienlinien? und ii) Ist diese Kompetenz verknüpft mit der Fähigkeit ein bestimmtes, funktionell definiertes Mikrobiom zu rekrutieren? Wir werden diesen Fragen in einem dreigliedrigen Ansatz nachgehen. Zunächst werden wir die Diversität, die in der Sammlung von Algenkulturen in Göttingen (SAG) hinterlegt ist, nutzen und freilebend sowie aus Symbiosen isolierte Cyanobakterienstämme sequenzieren. Diese Daten, kontextualisiert mit publizierten Genomen, werden mittels genomweiter Korrelationsstudien und vergleichender Genomik untersucht. Zweitens werden wir natürlich vorkommende Cyanobionten und ihr Mikrobiom aus mehreren Individuen der cyanobiontischen Wirte Geosiphon (Glomeromycota) und den Embryophyten Gunnera, Azolla und Anthoceros untersuchen. Drittens werden wir das Anthoceros-Laborsystem nutzen und ausgewählte, hier sequenzierte Cyanobakterienstämme auf ihre symbiotische Kompetenz hin phänotypisieren. Darüber hinaus werden wir das Mikrobiom bestimmen, welches die unterschiedlichen Cyanobakterien nach der Inokulation rekrutieren. Unsere Daten werden erste Kandidatengene, welche die symbiotische Kompetenz von Cyanobionten determinieren, aufzeigen — und somit ein Fundament für genetische Folgearbeiten schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Dr. Maike Lorenz