Distribution of ploidy in prokaryotes and evolutionary advantages of polyploidy in prokaryotes
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurde die Ploidie mehrerer Arten von Bakterien und Archaea untersucht. Die Quantifizierung der Anzahl von Origins und Termini der Modellart Bacillus subtilis betätigte, dass die Art unter optimalen Bedingungen mero-oligoploid ist. Auch drei Neuisolate von Bacillus und Paenibacillus erwiesen sich als oligoploid. Dies zeigte, dass die Oligoploidie von B. subtilis kein Artefakt nach jahrzehntelanger Kultur im Labor ist, sondern dass Oligoploidie typisch für Firmicutes ist. Bei dem polyploiden Bakterium Synechocystis spec. PCC 6803 konnte gezeigt werden, dass chemische und physikalische Parameter der Umwelt die Genomkopienzahl beträchtlich beeinflusst. Zudem konnte Synechocystis spec. PCC 6803 in Abwesenheit jeglicher externer Phosphatquelle wachsen. Die Genome wurden auf die Tochterzellen verteilt, bis die durchschnittliche Zahl von Genomkopien auf vier gesunken war. Ohne weitere Zellzahlzunahme sank die Genomkopienzahl nach sehr langer Inkubation in der stationären Phase weiter, wohl um Phosphat und Nährstoffe zu mobilisieren. Auch das polyploide Haloarchaeon Haloferax volcanii konnte in Abwesenheit von externem Phosphat wachsen. Eine Quantifizierung von Genomen und Ribosomen ergab, dass die Ribosomen auf die Tochterzellen verteilt wurden, ohne dass Ribosomensynthese oder –abbau stattfand. Nach Wachstum ohne externe Phosphatquelle befand sich jedoch nur noch 2/3 der ursprünglichen Phosphatmenge in Genomkopien, so dass 1/3 der Genomkopien abgebaut worden sein mussten, um Phosphat für andere Biomoleküle freizusetzen. H. volcanii benutzt seine vielfachen Genomkopien also in zweifacher Weise als Phosphatspeicherpolymer. Die Senkung der Genomkopienzahl von 20 auf zwei ging allerdings einher mit einem massiven Verlust der Austrocknungsresistenz. In Kooperation mit einer chinesischen und einer finnischen Arbeitsgruppe wurden die Genomkopienzahlen von drei haloarchaealen Neuisolaten untersucht, die aus 40 Millionen Jahren alten Salzlagern gewonnen worden waren. Alle drei Arten waren polyploid. Diese Polyploidy kann das lange unverstandene und oft angezweifelte extrem lange Überleben von Haloarchaea in Salzstöcken erklären, da polyploide Zellen vollständige Genome aus vielen überlappenden Fragmenten regenerieren können. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass Polyploidie bei Prokaryoten häufig ist, und es konnten einige evolutionäre Vorteile von Polyploidie experimentell untersucht werden. Die Arbeiten werden in einem Nachfolgeprojekt weitergeführt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2013) Evolutionary advantages of polyploidy in halophilic archaea. Biochem. Soc. Trans 41: 339-343
Soppa, J.
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(2014) Cell Cycle and Polyploidy in Haloarchaea. Genetics and Genomics of Halophiles, eds. R.T. Papke and A. Oren (Horizon Scientific Press): 146-166
Zerulla, K., Baumann, A., Soppa, J.
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(2014) DNA as a phosphate storage polymer and the alternative advantages of polyploidy for growth or survival. PLoS ONE 9 (4): e94819
Zerulla, K., Chimileski, S., Näther, D., Gophna, U., Papke, RT., Soppa, J.
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(2014) Polyploidy in haloarchaea: advantages for growth and survival. Frontiers Microbiol. 5: Article 274
Zerulla, K., Soppa, J.
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2014) Halophilic archaea cultivated from surface sterilized middle-late eocene rock salt are polyploid. PLoS ONE 9 (10): e110533
Jaakkola, ST., Zerulla, K., Guo, Q., Liu, Y., Ma, H., Yang, C., Bamford, DH., Chen, X., Soppa, J. and Oksanen, HM.
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(2016) The ploidy level of Synechocystis sp. PCC6803 is highly variable and is influenced by growth phase and by chemical and physical external parameters. Microbiol. 162: 730-739
Zerulla, K., Ludt, K., Soppa, J.
