Endomicrobia in termite guts: symbionts within a symbiont (Phylogeny, cospeciation with host flagellates, and preliminary genome analysis)

"Endomicrobia" are intracellular symbionts of termite gut flagellates that represent a distinct lineage in the novel bacterial phylum Termite Group I (TG-1). The evolutionary history of "Endomicrobia" with respect to their symbiosis with host flagellates was investigated using ph...

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Main Author: Wakako Ikeda-Ohtsubo
Contributors: Brune Andreas (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2007
Biologie
Subjects:
Online Access:PDF Full Text
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Table of Contents: "Endomicrobia" sind intrazelluläre Symbionten, die eine eigene Linie im bakteriellen Phylum "Termite Group I" (TG-1) darstellen. Sie konnten bisher nur in Darmflagellaten von Termiten nachgewiesen werden. In dieser Arbeit wurde die Stammesgeschichte (Phylogenie) der "Endomicrobia" anhand von Analysen der Sequenzvariabilität und in situ Hybridisierung der rRNA der kleinen ribosomalen Untereinheit (SSU rRNA) untersucht. Das für die SSU rRNA von "Endomicrobia" kodierende Gen konnte in allen manuell sortierten Flagellatensuspensionen nachgewiesen werden. Die phylogenetische Analyse der Gensequenzen ergab, dass aus der gleichen Flagellatengattung stammenden Symbionten jeweils eine monophyletische Gruppe im Stammbaum der TG-1 bildeten. Mittels "Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung" (FISH) der SSU rRNA mit spezifischen Oligonukleotid-Sonden konnten die Symbionten in den jeweiligen Wirtszellen lokalisiert werden. Die Phylogenie der "Endomicrobia" und deren Wirtsflagellaten wurden im weiteren bei Trichonympha-Arten (Parabasalida) im Detail untersucht. Die phylogenetische Analyse zeigte eine klare Kongruenz der Stammbäume von Wirt und Symbiont, was auf Kospeziation der Partner hinweist. Paarweise-Distanz-Analyse und FISH bestätigten dieses Ergebnis und ermöglichten die Entwicklung eines evolutionären Szenarios, welches die Aufspaltung der "Endomicrobia" mit ihrer Aufnahme in Flagellaten erklärt. "Endomicrobia" teilen sich das intrazelluläre Habitat mit anderen bakteriellen Symbionten. Die Untersuchung der bakteriellen SSU-rRNA-Gene aus den Trichonympha-Arten im Darm der Termitenarten Incisitermes marginipennis und Zootermopsis nevadensis ergab die Anwesenheit verschiedener weiterer Bakterien aus den Stämmen der Proteobacteria, Bacteroidetes und Mycoplasmatales. Vertreter des Unterstammes der δ-Proteobacteria bildeten dichte Rasen auf der Oberfläche der Flagellaten, waren aber auch in deren Zytoplasma vertreten. Da keine Reinkulturen von "Endomicrobia" oder derer Wirtsflagellaten existieren, wurde für weitere Untersuchungen eine Methode zur physikalischen Anreicherung der Symbionten erarbeitet. Als Zielorganismus wurde „Candidatus Endomicrobium trichonymphae“ (CET), der Symbiont von Trichonympha-Spezies gewählt und aus Z. nevadensis angereichert. Die hochmolekulare DNA aus einer solchen Anreicherung wird momentan am JGI sequenziert, um die Genomsequenz des Symbionten zu erhalten. Die bisher assemblierten Sequenzen (80 kb) ergaben bereits erste Hinweise auf den Stoffwechsel von CET (z.B. den Hexuronat-Metabolismus). "Endomicrobia" wurden auch im Darm der holzfressenden Schabe Cryptocercus punctulatus gefunden, die einen gemeinsamen Vorfahren mit den Termiten hat. Die Analyse der 16S rRNA-Gensequenzen aus Darmextrakten der Schabe ergab sechs Linien von Parabasalia Flagellaten, die bisher stammesgeschichtlich nicht zugeordnet waren. Das Vorkommen von "Endomicrobia" in einer dieser Linien, die einen sehr frühen Zweig der parabasaliden Flagellaten darstellt, unterstützt zudem die Theorie, dass Termiten und Schaben einen gemeinsamen Vorfahren haben. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass "Endomicrobia" häufige und stetige Endosymbionten von Termitendarmflagellaten sind. Sie vermitteln außerdem ein besseres Verständnis ihrer biotischen Umgebung, und bilden damit eine Grundlage für die weitere Erforschung der funktionellen Interaktionen von "Endomicrobia" mit dem Wirtsflagellaten und anderen symbiotischen Bakterien.