Bacterial symbionts of termite gut flagellates: cospeciation and nitrogen fixation in the gut of dry-wood termites

The subject of this thesis is the symbiosis between flagellates and bacteria in the gut of dry-wood termites (Kalotermitidae). In a series of studies, the evolution of devescovinid flagellates and their bacterial symbionts was elucidated, and the physiological basis of the symbiosis was investigated...

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Main Author: Desai, Mahesh
Contributors: Brune, Andreas (Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2008
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Online Access:PDF Full Text
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Table of Contents: Der Fokus dieser Arbeit beruht auf der Symbiose zwischen Flagellaten und Bakterien im Darm von Trockenholztermiten (Kalotermitidae). In einer Reihe von Versuchen konnte über molekulare Phylogenien die Evolution von devescoviniden Flagellaten und deren bakteriellen Symbionten etabliert werden. Die physiologische Grundlage der Symbiose wurde speziell hinsichtlich der Stickstofffixierung untersucht. Devescovinide Flagellaten dominieren die Flagellatenpopulation im Darm der Kalotermitidae. Mittels Mikropipetten wurden devescovinide Flagellaten (Devescovina- und Metadevescovina-Arten) von einer Vielzahl von Termitenarten der Familie Kalotermitidae artspezifisch isoliert. Die Sequenzen der ribosomalen RNA von Wirtsflagellaten und deren bakteriellen Symbionten wurden mittels „full-cycle-rRNA“-Methode analysiert. Phylogenetische Analysen zeigten, dass Devescovina-Arten, die in vielen Vertretern der Kalotermitidae vorkommen, eine monophyletische Gruppe bilden. Zudem waren Devescovina-Arten stets mit einer bestimmten Linie von Ektosymbionten assoziiert, die eine monophyletische Gruppe innerhalb der Bacteroidales bilden. Die von verschiedenen Algorithmen gut gestützte Kongruenz der Stammbäume dokumentiert eine strikte Kospeziation der Flagellaten und deren Ektosymbionten, die als Candidatus „Armantifilum devescovinae“ vorläufig klassifiziert wurden. Dennoch demonstriert die Inkongruenz zwischen den Phylogenien der devescoviniden Flagellaten und Kalotermitidae (COII-Gene) den horizontalen Transfer von Flagellaten innerhalb vieler Spezies der Kalotermitidae. Die Identität von „A. devescovinae“ mit den filamentösen Bacteroidales auf der Zelloberfläche von Devescovina-Arten konnte mittels Rasterelektronenmikroskopie und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung bestätigt werden. Dabei stellte sich heraus, dass einige Metadevescovina-Arten, welche eine Schwesterngruppe zu den Devescovina-Arten bilden, keine ektosymbiontischen Bacteroidales besitzen. Weitere molekulare Analysen und elektronenmikroskopische Untersuchungen führten zu einer Revision der vormals überschätzten Diversität von Metadevescovina-Arten im Darm der Termite Incisitermes marginipennis. Neben den Bacteroidales-Ektosymbionten besitzen Flagellaten der Gattung Devescovina auch Endosymbionten. Diese gehören zu den “Endomicrobia” (TG1-Phylum) und konnten im Zytoplasma aller Arten dieser Gruppe nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu den Ektosymbionten sind die “Endomicrobia” polyphyletisch, was vermuten lässt, dass sie von den jeweiligen Wirtsarten unabhängig erworben wurden. Dasselbe Szenario scheint auch für die Bacteroidales-Ektosymbionten der Oxymonas-Flagellaten zu gelten, die in vielen Kalotermitidae vorkommen. Diese Ektosymbionten bilden mehrere entfernt verwandte Entwicklungslinien im Stammbaum der Bacteriodales, was die Ansicht bestärkt, dass die Flagellaten–Bakteriensymbiosen im Termitendarm entwicklungsgeschichtlich komplex sind. Trockenholztermiten fixieren in großen Mengen Luftstickstoff, und mittels Acetylenreduktionstest konnte Nitrogenaseaktivität im Darm dieser Termiten nachgewiesen werden. Fingerprint-Analysen der Nitrogenase-Gene (nifH-Homologe) mittels T-RFLP-Methode zeigten, dass ein für eine alternative Nitrogenase kodierendes Gen (anfH) unbekannten Ursprungs das am stärksten exprimierte Homolog in mRNA-basierten Profilen darstellte. Eine Klonierung der nifH-Homologe aus mittels Mikropipetten gesammelten Suspensionen von Devescovina arta und S. tabogae brachte deutliche Hinweise, dass „A. devescovinae“ der Träger dieser anfH-Gene ist und somit für den Großteil der Stickstoff fixierenden Aktivität im Darm von Neotermes castaneus und Cryptotermes longicollis verantwortlich ist. Obwohl die Darmhomogenate eine hohe Diversität von nifH-Homologen beherbergen, wurden neben den erwähnten anfH-Genen nur wenige weitere Homologe exprimiert. Phylogenetische Analyse ergab eine Zugehörigkeit zu Treponema, Bacteroidales (nifH) und der Proteo-Cyano-Gruppe. Die Genexpressions-Profile waren charakteristisch für die jeweilige Termitenart. Die anfH-Gene wurden nicht in Termiten exprimiert, die große Mengen an Wasserstoff akkumulierten (35–45 kPa, Mikrosensorenmessungen), was auf eine Repression der Genexpression durch hohe Wasserstoff-Partialdrücke hindeutet.