Plasmid mediated adaption of bacteria to changing environmental conditions

Autor/innen

  • Eman NourEldeen Hamed Ahmed Institut für Epidemiologie und Pathogendiagnostik

DOI:

https://doi.org/10.5073/dissjki.2016.008

Abstract

Wie in verschiedenen Studien gezeigt wurde, tragen konjugative Plasmide eine beachtliche Vielfalt von bakteriellen funktionellen Genen, die häufig nützliche Eigenschaften für den Wirt des Plasmids kodieren. Transferable Plasmide sind mobile genetische Elemente (MGE), die u.a. durch Konjugation oder Mobilisierung zwischen bakteriellen Zellen gleicher Spezies oder zwischen unterschiedlichen Taxa transferieren können. Die Fähigkeit, sich in einer Wirtszelle stabil zu replizieren, entscheidet über den Wirtsbereich des Plasmids. Unter sich schnell verändernden Umweltbedingungen tragen Plasmide zu einer raschen Anpassung bei. Der Schwerpunkt dieser Promotionsarbeit lag darin zu untersuchen, wie Bakteriengemeinschaften auf Veränderungen ihrer Umwelt reagieren, und unsere Studien haben gezeigt, dass IncP-1 Plasmide offensichtlich eine wichtige Rolle bei der Anpassung von Boden- oder Biofilterbakterien an sich ändernde Umweltveränderungen spielen. IncP-1 Plasmide verfügen über einen weiten Wirtsbereich und transferieren erfolgreich in Böden und ähnlichen Habitaten. IncP-1 Plasmide sind in der Lage, eine erstaunliche Vielzahl funktioneller Gene zu verbreiten, die Resistenz gegen Antibiotika, Desinfektionsmittel und/oder Schwermetalle vermitteln oder die Fähigkeit, Xenobiotika abzubauen. Als Reaktion auf sich verändernde Umweltbedingungen erhöht sich die relative Abundanz von IncP-1 Plasmiden, möglicherweise hervorgerufen durch horizontalen Gentransfer (HGT) oder die Proliferation von IncP-1 tragenden Populationen. Die Mehrzahl der untersuchten IncP-1 Plasmide wurde aus belasteter Umwelt isoliert. Die Rolle, die IncP-1 Plasmide in unbelasteten Böden spielen, war bisher deutlich weniger untersucht worden. In diesem Zusammenhang liefert diese Doktorarbeit Einblicke in das Vorhandensein, die Häufigkeit und die Diversität von IncP-1 Plasmiden und ihre mögliche ökologische Bedeutung in zwei verschiedenen Umgebungen, die als 'hot spots' für HGT bekannt sind. (1) Bio-Aufreinigungssysteme (BPS; Biofilter), die dem Landwirt eine wirkungsvolle, einfach anwendbare und kostengünstige Methode bieten, durch Pestizide verunreinigte Abwässer durch Bio-Abbau und Sorptionsvorgänge zu behandeln. Für ein BPS wurde kürzlich unter Feldbedingungen gezeigt, dass während der Saison die Abundanz von IncP-1 Plasmiden in BPS-Material zunahm, und durch trfA-Amplikon-Sequenzierung konnten die dynamischen Veränderungen in der Zusammensetzung der verschiedenen IncP-1 Untergruppen deutlich gemacht werden. Die Zunahme der IncP-1 Plasmide schien mit steigender Pestizid- Konzentration zu korrelieren. In dieser Doktorarbeit wurden Mikrokosmos-Experimente mit BPSMaterial mit oder ohne Linuron - einem Phenlyurea-Herbizid - durchgeführt. Kultivierungsunabhängige Methoden wurden angewendet, um die dynamische Reaktion von BPS-Bakteriengemeinschaften und ihren MGE auf die Zugabe von Linuron zu untersuchen. DNA (total community, TC), nach der Zugabe von Linuron zu verschiedenen Zeitpunkten direkt aus den BPS+ und BPS- Proben gezogen, wurde mit Hilfe von quantitativer real-time-PCR oder PCR-Amplifizierung von degradativen Genen und anschließender Southern blot-Hybridisierung untersucht. Zusätzlich wurden Plasmide in sogenannten exogenen biparental matings in P. putida als Rezipient 'gefischt'. Der experimentelle Aufbau ermöglichte es, den Zusammenhang zwischen der Anwesenheit von Linuron und der Abundanz von IncP-1 Plasmiden und Genen aufzuzeigen, die für Enzyme kodieren, die am Abbau von Linuron beteiligt sind (Kapitel II und III). In drei Transkonjuganten konnte das hylA-Gen nachgewiesen werden. (2) Die Ökologie von IncP-1 Plasmiden wurde in der Rhizosphäre von drei verschiedenen Kulturpflanzen untersucht, die unter Gewächshausbedingungen in identischen Böden angebaut wurden. Die Daten aus dem Gewächshausexperiment haben mittels qPCR die kürzlich publizierte Beobachtung bestätigt, dass IncP-1 Plasmide in der Rhizosphäre von Salat unter
Feldbedingungen angereichert wurden. Demgegenüber war die erhöhte relative Abundanz von IncP-1 Plasmiden weniger stark ausgeprägt in der Rhizosphäre von Tomate und kaum nachweisbar in Kartoffelpflanzen (Kapitel IV und V). Aufgrund der Fähigkeit, IncQ-Plasmide zu mobilisieren, wurden zahlreiche IncP-1 Plasmide in einem sogenannten triparental mating direkt aus Rhizosphäre-Bakterien 'gefischt'. Obwohl die Transkonjuganten anhand der Marker des
IncQ-Plasmids selektiert wurden, trug die Mehrheit der Transkonjuganten auch IncP-1 Plasmide. Die kultivierungsunabhängigen Methoden, die in dieser Arbeit zum Einsatz kamen (DGGE, Pyrosequenzierung von 16S rRNA-Genfragmenten, Amplikon-Pyrosequenzierung von IncP- 1 trfA-Genen, qPCR, PCR und/oder Southern blot-Hybridisierung) ermöglichten uns, die Dynamik von bakteriellen Gemeinschaften und von IncP-1 Plasmiden auf sich verändernde Umweltbedingungen in der TC-DNA der getesteten Proben zu erforschen. Die in dieser Arbeit vorgelegten Ergebnisse zeigen, dass die IncP-1 Plasmid-tragenden Populationen bemerkenswert dynamisch nicht nur auf die Einführung von xenobiotischen
Verbindungen, sondern auch auf Exsudate aus Pflanzenwurzeln reagieren, was die Bedeutung von IncP-1 Plasmid-vermittelter Adaptation von Bakterien an sich verändernde Umweltbedingungen zeigt (Reaktion auf Linuron oder Wurzelexsudate). Dennoch waren nahezu alle Untergruppen von IncP-1 in allen getesteten Proben zu finden, wobei die IncP-1β Untergruppe eine wesentlich stärkere Anreicherung zeigte. Erstmalig wurde die Anreicherung von höchst unterschiedlichen IncP-1 Plasmiden (insbesondere der IncP-1β Untergruppe) in der Rhizosphäre von Salat- und Tomatenpflanzen, aber nicht von Kartoffelpflanzen gezeigt. Darüber hinaus beherbergen verschiedene Pflanzenspezies möglicherweise Populationen, die unterschiedliche IncP-1 Plasmide selbst dann tragen, wenn die Pflanzen in ein- und derselben Bodenart angebaut wurden. Allerdings müssen die Ursachen für die Pflanzenspezies-bedingte Anreicherung von IncP-1 Plasmiden noch geklärt werden, und eine vollständige Sequenzierung könnte vielleicht die fehlende Erklärung liefern.

Auf Wunsch des Autors / der Autorin ist diese Dissertation nur als Druckausgabe verfügbar.

Veröffentlicht

2018-07-20

Ausgabe

Rubrik

Dissertation