Sponge-microbe associations: unravelling the mysteries of an ancient partnership
Final Report Abstract
Marine Schwämme sind bekannt für ihre Assoziation mit phylogenetisch komplexen, jedoch spezifischen und oft sehr ähnlichen mikrobiellen Konsortien. Ziel dieses Projektes war es, grundlegende Fragen zur Evolution und Ökologie dieser Assoziationen zu beantworten. Im Besonderen sollte die Biogeographie von Schwammsymbionten beschrieben werden und dabei die Hypothese einer „Schwamm-spezifischen" mikrobiellen Gemeinschaft getestet sowie das gemeinsame Set an Bakterien in Schwämmen bestimmt werden. Statt des geplanten, auf der 16S rRNA basierenden, diagnostischen Mikroarrays wurde jedoch die neue Methode der 454-Pyrosequenzierung angewandt. Diese ist, wie der Mikroarray, bestens für das geplante Projekt geeignet, aber im Gegensatz zum Mikroarray ist sie nicht auf bekannt 16S rRNA Gensequenzen von Schwammsymbionten beschränkt, sondern erlaubt durch die enorme Sequenziertiefe gerade die Beschreibung von bisher kaum zugänglichen, weil nicht abundanten Mikroorganismen. Die Analyse mikrobieller Gemeinschaften in 32 verschiedenen Schwämmen von 8 unterschiedlichen Standorten (Pazifik, Indischer Ozean, Rotes Meer, Mittelmeer, Karibik) führte zur Beschreibung von 2567 unterschiedlichen 97% OTUs (operational taxonomie units) im gesamten Datensatz und bis zu 364 verschiedenen OTUs in einem einzelnen Schwamm. Die Gesamtdiversität umschloss 25 bakterielle Phyla und Candidatus Phyla, wobei Proteobacteria, Chloroflexi und Poribacteria die höchste Diversität aufwiesen. Acht Candidatus Phyla, von denen 6 zum ersten Mal in Schwämmen beschrieben wurden, wurden als Teil der sogenannten „rare biosphere" in Schwämmen identifiziert. Die Verteilung der Schwammsymbionten entspricht weder der Phylogenie der Wirtsschwämme (was einer Co-Speziation von Wirtsschwämmen und assoziierten Mikroorganismen durch strikte vertikale Weitergabe der Symbionten entsprechen würde) noch spiegelt sie einfach die geographische Distanz zwischen den Wirtsschwämmen (bzw. deren Sammelorten). Die Biogeographie von Schwammsymbionten wird vermutlich durch verschiedene Umweltfaktoren, aber auch durch einen dualen Modus von vertikaler und horizontaler Weitergabe beeinflußt. Am meisten überraschte das Ergebnis, dass nur wenige 97% OTUs (als Entsprechung bakterieller Spezies) in mehreren Schwämmen gefunden wurden, während die große Mehrheit in ausschließlich einer einzigen Spezies vorkam. Jedoch zeigte der Vergleich dieser Sequenzdaten zu bereits veröffentlichten Daten aus Schwämmen hohe Übereinstimmung. Und große Ähnlichkeit auf höherer taxonomischer Ebene wurde auch gefunden zwischen den mikrobiellen Konsortien der Schwämme dieser Studie. Somit besitzt jeder Schwamm ein fast einzigartiges Set aus bakteriellen Spezies, die jedoch näher verwandt sind zueinander als zu Meerwasserbakterien, was die Hypothese von „Schamm-spezifischen" mikrobiellen Konsortien bestätigt.
Publications
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(2009) Sponges - an evolutionary success story. Biologist 56: 74-78
Schmitt S, Taylor MW
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(2010) Activity profiles for marine sponge-associated bacteria obtained by 16S rRNA vs 16S rRNA gene comparisons. ISME J 4: 498-508
Kamke J, Taylor MW, Schmitt S
