The gut microbiota of the cockroach Shelfordella lateralis Primary colonization, succession, and metabolicresponse to microenvironmental conditions

Schaben und Termiten, beherbergen komplexe mikrobielle Gemeinschaften in ihrem Verdauungstrakt. Die Darmmikrobiota besteht aus unterschiedlichen mikrobiellen Gilden z.B. gärende Bakterien, methanogene Archaeen und Protisten, die ein metabolisches Netzwerk im Darm bilden. Während die Darmmikrobiota von Termiten seit Jahrzehnten intensiv untersucht wird, ist nur wenig über die mikrobiellen Gemeinschaften in Schaben, insbesondere über die Erstbesiedelung des Darms, die Sukzession und Interaktionen der Darmmikroorganismen bekannt. Um die Sukzession der Darmmikrobiota im Laufe der Entwicklung der Schabe zu untersuchen, habe ich die bakterielle Zusammensetzung mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung sowie Stoffwechselprodukte in verschiedenen Larvenstadien der Schabe Shelfordella lateralis analysiert. Schaben des ersten Larvenstadiums wurden häufig von aeroben oder aerotoleranten, Lactat produzierenden Bakterien (z.B. Enterobacteriaceae, Enterococcaceae und Lactobacillaceae) besiedelt, was von einer Lactatakkumulation im Darm begleitet wurde. Im Gegensatz dazu, waren Schaben ab dem zweiten Larvenstadium bis zum Adultstadium von obligat anaeroben Bakterien (z.B. Ruminococcaceae, Lachnospiraceae and Rikenellaceae) besiedelt. Während Schaben des ersten Larvenstadiums keine Methanemission aufwiesen, zeigten die anderen Larvenstadien geringe und adulte Schaben hohe Methanemissionsraten. Wasserstoffemissionsraten hingegen gingen im Laufe der Entwicklung der Schabe zurück, was z.T. durch eine Wasserstoffzehrung der methanogenen Archaeen zu erklären ist. Schaben, die in Isolation aufgewachsen sind, zeigten keine Methanemission, jedoch eine ähnliche Darmmikrobiota wie konventionelle Schaben. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass die meisten Mikroorganismen aus der direkten Umgebung aufgenommen werden, methanogene Archaeen jedoch über Koprophagie übertragen werden. Mikrosensor-Messungen ergaben, dass im Enddarm aller Schaben, mit Ausnahme des ersten Larvenstadiums, anoxische Bedingungen herrschen, was darauf schließen lässt, dass Sauerstoff die mikrobielle Besiedlung des Darms im ersten Larvenstadium stark beeinflusst. Die Unterschiede zwischen dem ersten Larvenstadium und späteren Stadien deuten darauf hin, dass der Aufbau der Darmmikrobiota nach stochastischen Ereignissen erfolgt und sich die Zusammensetzung der Mikrobiota abhängig vom Sauerstoff-Status des Darms verändert. Während die Zusammensetzung der Darmmikrobiota für viele Insektenarten schon ausführlich untersucht wurde, fehlt uns immer noch ein mechanistisches Verständnis über die Stoffwechselaktivitäten und Interaktionen der einzelnen Bakterienpopulationen. Für eine detaillierte Charakterisierung der Mikroorganismen werden Reinkulturen benötigt. Allerdings sind die Bakterien im Darm völlig anderen Bedingungen ausgesetzt als in Reinkultur. Daher sind Studien nötig, welche prüfen, in wie weit die Stoffwechselleistungen der Reinkulturen auch ihre Aktivitäten in ihrem natürlichen Standort widerspiegeln. Wir haben die Schabe Shelfordella lateralis als gnotobiotisches Modellsystem etabliert, um Stoffwechsel und biotische Interaktionen einzelner Bakterienpopulationen unter in-situ-Bedingungen zu untersuchen. Keimfreie Schaben wurden erfolgreich mit den autochthonen Stämmen EbSL (ein fakultativ anaerober Stamm aus der Familie der Enterobacteriaceae) und FuSL (ein obligat anaerober Fusobacterium-Stamm) besiedelt. In Monoassoziation haben beide Stämme den Darm in hoher Dichte besiedelt, allerdings waren die Populationsgrößen von Stamm FuSL niedriger als die von Stamm EbSL. Weiterhin waren Populationsgrößen von Stamm FuSL in Diassoziation mit Stamm EbSL wesentlich niedriger als in Monoassoziation. Obwohl Stamm EbSL den Sauerstoff im Darm fast komplett verbraucht hat, hat die Vorbesiedlung mit dem fakultativ anaeroben Stamm die Besiedlung mit dem obligat anaeroben Stamm nicht begünstigt. Die Ergebnisse zeigen, dass Stamm FuSL von Stamm EbSL aus dem Darm verdrängt wird, vermutlich weil der fakultativ anaerobe Stamm besser die oxischen Bereiche des Darms besiedeln kann. Ein Vergleich der Gärprodukte der Stämme in vitro mit denen in situ zeigte, dass die Umgebung im Darm den Stoffwechsel beider Stämme stark beeinflusst. Während Kulturen von Stamm EbSL und FuSL die typischen Produkte einer gemischten Säuregärung oder Buttersäuregärung bildeten, akkumulierten in den Därmen der gnotobiotischen Schaben Lactat und Acetat. Solche Verschiebungen hin zum Acetat oder Lactat wurden in vitro bestätigt, wenn die Kulturen Sauerstoff oder hohen Glucosekonzentrationen, Bedingungen ähnlich wie im Darm der keimfreien Schaben, ausgesetzt wurden. Um weitere Kenntnisse über bislang unkultivierte Vertreter der anaeroben bakteriellen Gemeinschaft im Darm von S. lateralis und anderen Insekten zu gewinnen, haben wir weitere Mitglieder aus deren Darmmikrobiota isoliert und die Ultrastruktur, Physiologie und Metabolismus der Stämme im Detail untersucht. Bei den Isolaten handelt es sich um strikt anaerobe oder moderat aerotolerante Vertreter von neuen Gattungen in den Familien Erysipelotrichaceae sowie Opitutaceae, welche einen fermentativen Metabolismus aufweisen. Während erstere (die Stämme ErySL und Pei061) die typischen Produkte einer gemischten Säuregärung bildeten, vergärte letzterer (Stamm Ho45) Glucose zu Propionat und Acetat. Sauerstoff- und Glucosekonzentration im Medium beeinflussten deutlich das Wachstum und die Gärung der neuen Isolate. Da die nächsten Verwandten der neuen Isolate in der Literatur fälschlicherweise als aerob oder mikroaerophil beschrieben wurden, haben wir die Beschreibung der Familie Erysipelotrichaceae und der Gattung Diplosphaera (Opitutaceae) überarbeitet.