Molekularbiologische Charakterisierung und vergleichende Genomik von ausgewählten Vertretern mariner Roseobacter-Stämme
Molecular characterization and comparative genomics of selected members of the marine roseobacter clade
by John Felix Vollmers
Date of Examination:2013-07-18
Date of issue:2014-03-13
Advisor:Prof. Dr. Rolf Daniel
Referee:Prof. Dr. Rolf Daniel
Referee:Prof. Dr. Gerhard Gottschalk
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Description:Dissertation
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Abstract
English
The genome analyses presented in this thesis extend the current knowledge of the genomic potential of the Roseobacter clade and identify potential adaptations to ecological niches within marine habitats. New features were identified in the polar sea ice organisms Octadecabacter arcticus 238 and O. antarcticus 307, which have not been previously reported in members of the Roseobacter clade and are most likely adaptations to polar or sea ice associated habitats. A special highlight of these analyses is the characterization of a new subgroup of xanthorhodopsins in the polar Octadecabacter strains. This new xanthorhodopsin subgroup differs from previously described xanthorhodopsins not only phylogenetically, but also in their inability to bind 4-keto-carotenoids and in their preferred occurrence in ice-associated organisms. Both polar Octadecabacter strains were shown to possess an unusually high genome plasticity. This seems to be linked to the unique sea ice habitat of these organisms, which is assumed to be a hot spot for horizontal gene transfer (HGT). Furthermore it could explain the discrepancy between the low genome synteny and high 16S rRNA gene sequence similarity between both strains. Despite these differences, O. arcticus and O. antarcticus share remarkable features which indicate a common exclusive gene pool of Octadecabacter members in both polar regions. This view is supported by 16S rRNA-based phylogenetic analyses of Octadecabacter strains from various habitats. Therefore the bacterial communities of both polar regions seem to linked via a direct connection, possibly in the form of deep sea currents which span both hemispheres. The currently available Genomesequences were used for in-depth comparative analyses, enabling new insights into niche adaptations within the Roseobacter clade and the high importance of horizontal gene transfer for this group. Furthermore, this information represents a basis for the classification and analysis of new Roseobacter-associated genome and metagenome sequences.
Keywords: Roseobacter, Octadecabacter, rhodopsin, xanthorhodopsin, SIMCO, sea ice microbial community, arctic, antarctic, polar, marine
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Die in dieser Arbeit präsentierten Genomanalysen erweitern das Wissen um das genomische Potential der Roseobacter-Gruppe und zeigen mögliche Adaptionen an ökologische Nischen innerhalb mariner Lebensräume auf. In den polaren Meereisorganismen Octadecabacter arcticus 238 und O. antarcticus 307 konnten neue Eigenschaften identifiziert werden, welche bislang nicht in Vertretern der Roseobacter-Gruppe beschrieben wurden und wahrscheinlich Anpassungen an polare bzw. Meereis-assoziierte Lebensräume darstellen.
Ein besonderes Highlight dieser Analysen ist die Charakterisierung einer neuen Untergruppe von Xanthorhodopsinen in den Octadecabacter-Vertretern. Diese neue Xantho¬rhodopsin-Unter¬gruppe unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Xantho¬rhodopsinen nicht nur durch phylogenetische Verwandtschaftsbeziehungen, sondern auch in ihrer mangelnden Befähigung zur Keto-Carotenoid-Bindung und ihrer vorwiegenden Verbreitung in Organismen Eis-assoziierter Habitate.
Für beide polare Octadecabacter-Vertreter wurde eine ungewöhnlich hohe Genom-plastizität festgestellt. Hierbei scheint es sich um eine Anpassung an das einzigartige Meereis¬habitat dieser Organismen zu handeln, welches als hot spot für horizontalen Gentransfer (HGT) gilt. Zudem bietet diese Genomplastizität eine Erklärung für die zahlreichen genomischen Unterschiede zwischen den Octadecabacter-Stämmen, welche in direktem Widerspruch zu der nahen Verwandtschaft dieser Organismen auf 16S rRNA-Gen¬sequenz¬ebene stehen.
Trotz dieser Unterschiede weist die genetische Ausstattung von O. arcticus und O. antarcticus auffällige Übereinstimmungen auf, welche auf einen gemeinsamen exklusiven Genpool von Octadecabacter-Vertretern beider Polargebiete hindeuten. Dies wird durch 16S rRNA-basierte phylogenetische Analysen von Octadecabacter-Vertretern verschiedener Habitate unterstützt. Somit scheint zwischen Bakteriengemeinschaften beider Polarregionen eine direkte Verbindung zu existieren. Von den Polargebieten ausgehende Tiefenströmungen, welche sich über beide Hemisphären erstrecken, könnten diese Verbindung darstellen.
Anhand der bislang verfügbaren Genomsequenzen wurden Verwandtschaftsbeziehungen sowie allgemeine Unterschiede zwischen Vertretern der Roseobacter-Gruppe auf vielfältigen Ebenen untersucht. Die Ergebnisse dieser Analysen geben wertvolle Einblicke in unterschiedliche Nischenadaptionen zwischen nah verwandten Roseobacter-Vertretern und in die Bedeutung von horizontalem Gentransfer für diese Gruppe. Zudem bieten sie eine Grundlage für die vereinfachte Einteilung und Analyse zukünftiger Roseobacter-assoziierter Genom– und Metagenomsequenzen.
Schlagwörter: Roseobacter, Octadecabacter, Rhodopsin, Xanthorhodopsin, SIMCO, Arktis, Antarktis, polar, marine