The bacterial gut microbiota of wood- and humus-feeding termites: Diazotrophic populations and compartment-specific response of bacterial communities to environmental factors

The subject of this thesis is the influence of the microenvironment on the symbiosis between higher termites and their intestinal bacteria. The gut environmental factors pH, hydrogen partial pressure, redox potential and nitrogen pool size were measured. Bacterial gut community structure from each h...

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Main Author: Wang, Wanyang
Contributors: Brune, Andreas (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2018
Subjects:
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Table of Contents: Thema dieser Arbeit ist der Einfluss der Mikroumgebung auf die Symbiose zwischen höheren Termiten und ihren Darmbakterien. Die intestinalen Umweltfaktoren pH, Redoxpotential, Wasserstoffpartialdruck sowie die Stickstoff-Poolgrößen wurden gemessen. Die Struktur der bakteriellen Darmgemeinschaft wurde separat in jedem Abschnitt des stark kompartimentierten Darms untersucht. Darüber hinaus wurde die spezifische Funktion der Stickstofffixierung in niederen Termiten, höheren Termiten und Schaben untersucht. Wasserstoffpartialdruck, pH, und Redoxpotential in den Darmabschnitten von humus- und bodenfressenden Termiten wurden mit Mikrosensoren gemessen. Die Größe der gesamten bakteriellen Gemeinschaften in den einzelnen Darmabschnitten wurde erfasst, indem die 16S-rRNA-Genkopienzahl durch qPCR bestimmt wurde. Da die Diät von Humus- und Bodenfressern sehr stickstoffreich ist, wurden weiterhin die Poolgrößen von Ammoniak, Nitrit und Nitrat durch einen kolorimetrischen Assay quantifiziert. Höhere Termiten haben sich daran angepasst Lignocellulose in verschiedenen Stadien der Humifizierung, wie Holz, Humus, oder Boden umzusetzen. Die hohe Alkalinität im vorderen Enddarm von humus- und bodenfressenden Termiten spielt möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Verdauung von Proteinen und Polypeptiden. Unsere umfassenden Messungen der intestinalen physikochemischen Parameter bestärken die Hypothese, dass die intestinale Mikroumgebung evolutionär an ernährungsbedingte Unterschiede angepasst ist. Die Ergebnisse der Amplicon-Sequenzierungen (Miseq) unterstrichen, dass die Gemeinschaftsstruktur der Darmbakterien in jedem Darmabschnitt durch zahlreiche Umweltfaktoren wie pH, Wasserstoffpartialdruck und Ernährung des Wirts beeinflusst wird. Homologe Kompartimente des Enddarms von Humus- und Bodenfressern beherbergten ähnliche Bakterien, unabhängig von der Unterfamilie des Wirts. In holz- und grasfressenden Termiten bestand die Darmmikrobiota hauptsächlich aus Actinobacteria, Fibrobacteres und Spirochaetes. In humus- und detritusfressenden Termiten waren hingegen vor allem Gattungen aus Bacteroidetes, Spirochaetes und Firmicutes vertreten. Das deutet darauf hin, dass sie essentiell zum Verdauungsprozess beitragen. Stickstoffverfügbarkeit sollte ebenfalls die Zusammensetzung des Darmmikrobioms von Termiten beeinflussen. Das gilt vor allem für den Darm von Holz-fressende Termiten, wo Diazotrophie besonders wichtig ist. Der Darm von humus- und bodenfressenden Termiten wies hohe Konzentrationen von Ammoniak, Nitrit und Nitrat auf, nicht jedoch der von holzfressenden Termiten. Dieses Phänomen hängt mit der Ernährung der Termiten zusammen. Holzfresser sind aufgrund des hohen C/N-Quotienten ihrer Diät Stickstoff-limitiert. Sie benötigen Strategien um diese Schwierigkeit zu überwinden. Stickstofffixierung durch symbiotische Darmbakterien hilft ihnen bei der Stickstoffversorgung. Die Quantifizierung der Stickstoff fixierenden Populationen erfolgte auf DNA-Ebene durch qPCR des molekularen Markergens nifH. Normalisiert nach 16S-rRNA-Genkopiezahlen betrug das Verhältnis von nifH zu 16S-rRNA-Genkopien weniger als 0.15 in allen untersuchten Spezies. Nichtsdestotrotz reicht dieser überraschend geringe Anteil an Diazotrophen aus, um die Stickstofffixierungsrate von Termiten zu decken, und steht im Einklang mit den Fixierungsraten (mittels Acetylen-Reduktions-Assay bestimmt) von Treponema-Isolaten aus Zootermopsis angusticollis und lebenden Zootermopsis sp. Die bakteriellen Symbionten von Flagellaten tragen zur Stickstofffixierung in niederen Termiten bei. Insbesondere in Kalotermitidae stimmen die abundanten nifH-Gene, die mit nifH-Genen von Flagellatsymbionten clustern, mit der Kospeziation von Flagellaten und niederen Termiten überein. Der durch den Endosymbionten fixierter Stickstoff kann in wertvollere stickstoffhaltige Verbindungen wie Aminosäuren umgewandelt und direkt der Proteinsynthese des Protisten zugeführt werden. Dies ermöglicht dem Protisten, stabil und unabhängig zu wachsen, und stellt sicher, dass die Termite die essentiellen cellulolytischen Protisten beibehält. Weiterhin wurde durch vergleichende Untersuchungen von nifH-Genen in Amplikonbibliotheken und annotierten Metagenomen verifiziert, dass holzfressende höhere Termiten ihre Flagellaten und die mit Faser-assoziierten Bakterien verbundenen Diazotrophen wieder verloren haben. Neben Flagellaten-Symbionten repräsentieren Sequenzen aus der nifH-Gruppe IV einen weiteren interessanten Subcluster. Das bisher als nicht funktionell beschriebene nifH-Homolog IV beinhaltet mit Endomicrobium proavitum mindestens einen aktiven Diazotrophen, der ausschließlich ein nifH-Gen der Gruppe IV besitzt. Endomicrobium-verwandte nifH-(IV)-Sequenzen, sind abundant in Kalotermitidae, Termopsidae und Cryptoceridae. Dies ist die erste Analyse der diazotrophen Gemeinschaften im Termitendarm, die auch potentielle diazotrophe Mikroorganismen mit nifH aus Gruppe IV berücksichtigt.