Mikrobielle Diversität

Transkript

1 Mikrobielle Diversität (c) Henrik Sass Heribert Cypionka Ist Diversität gleich Artenvielfalt? Morphologie Physiologie und Ökologie Taxonomie Phylogenie Purves: Kapitel 27 u. 28 1

2 Von der Einfalt der Wissenschaft und der Vielfalt der Mikroben 2

3 Oberfläche einer Mundschleimhautzelle einer gesunden Oldenburger Studentin 500 auf einen Streich... 4 Millionen Arten - in Ihrem Garten!? 3

4 Morphologie Geschichte der Mikrobiologie und Biologie Problem der Visualisierung der Mikroorgansimen Morphologie ist kaum zur Differenzierung von Prokaryoten nutzbar Spirochät und Spirillen 4

5 Movement analysis by means of PICOLAY Morphologie Achromatium oxaliferum ( µm ø), das größte Bakterium Deutschlands, enthält zahlreiche Calciumcarbonat-Kristalle und Schwefeltröpfchen Unsere Visualisierungsmethoden sind kaum zur Detektion der Vielfalt der Prokaryoten geeignet 5

6 Morphologie von Protisten Zwei Ciliaten: komplexe Organismen in einer Zelle! Bereits bei Einzellern werden morphologische Kriterien zur Bestimmung genutzt oft mit zweifelhaftem Erfolg. Physiologische Diversität 6

7 Lebensweisen Anorganischer Elektronendonator: H 2, H 2 S, NH 3, CO, Fe 2+, Mn : Lithotrophie Anorganische C-Quelle CO 2 : Autotrophie Licht statt Atmungsprozess zur Protonentranslokation: Phototrophie Alternative Elektronenakzeptoren: NO 3-, SO 4 2-, Fe 3+, Mn 4+, CO 2... : Anaerobe Atmung Ohne externen Elektronenakzeptor, ohne (?) chemiosmotische Energiekonservierung: Gärungen Die meisten Alternativen nur bei Prokaryoten! Lebensweisen 7

8 Physiologische Vielfalt Lebensweisen Die so genannten höheren Pflanzen Tiere Phylogenie 8

9 Artenvielfalt Anzahl der Arten in 30 g Waldboden (Reassoziationskinetik von DNA) Torsvik V, Goksoyr J, Daae FL (1990) High diversity in DNA of soil bacteria. Appl. Env. Microbiol. 56: Dykhuizen DE (1998) Santa Rosalia revisited: Why are there so many species of bacteria? Antonie van Leeuwenhoek 73:25-33 Arten insgesamt Prokaryoten Eukaryoten Beschrieben: Mio Geschätzt: 1 Milliarde Mio Artenzahl berechnet auf Basis einer Übereinstimmung Sequenzübereinstimmung der DNA von nur 70 % innerhalb einer Art. In jeder Insektenart dürfte ein neues Bakterium zu finden sein... R. Amann, MPI für marine Mikrobiologie Bremen 9

10 Artbegriff bei Prokaryoten: operationell - Sex erfunden von Prokaryoten, aber kein vollständiger Genomaustausch, keine Meiose - Phänotyp (ausgeprägtes Erscheinungsbild) - Phylotyp (Organismen mit unterscheidbarer DNA-Sequenz) - OTU, operational taxonomic unit - Ökotyp (Ecotype) Wikipedia Stichwort Ökotyp: Bakterien vermehren sich asexuell durch Zweiteilung. Demzufolge können bei Bakterien keine Arten (Spezies), im Sinne von Fortpflanzungsgemeinschaften festgesetzt werden. Mikrobielle Arten sind demnach als bakterielle Ökotypen und nicht als Biospezies aufzufassen, die über ihre ökologische Nische und ihre DNA-Sequenz definiert werden. Tafel 7.2. Kriterien zur Klassifizierung einer prokaryotischen Reinkultur Morphologie Kolonieform und -farbe Zellform, -größe, evtl. Zellverbände Beweglichkeit, Art der Begeißelung (Elektronenmikroskop) Zellwandtyp (Gram-Test und/oder Elektronenmikroskop) Zelleinschlüsse, -fortsätze, Kapseln, Sporenbildung etc. Physiologie Verwertung von Substraten als C-, N- oder S-Quelle Fähigkeit zu aerobem und anaerobem Wachstum Analyse von Gärprodukten (Gas-, Säurebildung, chemische Analyse) Temperaturgrenzen des Wachstums, Toleranz gegenüber Säure, Salz etc. Biochemische und molekularbiologische Kriterien Nachweis von Enzymaktivitäten (z.b. Katalase, Cytochrom-Oxidase, Nitrogenase) Nachweis von Cytochromen (Farbspektrum) Nachweis von charakteristischen Lipidverbindungen Analyse der Zusammensetzung der Zellwand Anteil von Guanin plus Cytosin an den Basen der DNA (GC-Gehalt) DNA-DNA-Hybridisierung zwischen ähnlichen Stämmen Basensequenz der ribosomalen RNA (16 S-rRNA, 23 S-rRNA) Standardwerte für Divergenzen innerhalb einer Art GC-Gehalt: <5% (<10% innerhalb einer Gattung) DNA-DNA-Hybridisierung: <30 % Ribosomale 16 S rrna-sequenz: <3 % (manchmal <1%) 10

11 Physiologische Vielfalt: Grobe Charakterisierung von Bakterien- Eigenschaften Physiologische Eigenschaften von Isolaten aus dem Stechlinsee (Henrik Sass) Taxonomie des berühmtesten Bakteriums Bacteria Proteobacteria Gamma-Proteobacteria Enterobacteriales Enterobacteriaceae Escherichia Escherichia coli Domäne Phylum Klasse Ordnung Familie Gattung Art Escherichia coli K12 Stamm 11

12 Ökologie: Königsdisziplin der Biologie Weshalb? Populationen sulfatreduzierender Bakterien im obersten Zentimeter eines Sediments Vergleich von amplifizierten 16 S rrna-banden von Reinkulturen und Sediment (0-10 mm) aus Schiermonnikoog durch Denaturierende Gradienten-Gel-Elektrophorese (DGGE) Elze Wieringa Mit molekularbiologischen Methoden lassen sich lassen sich verschiedene Bakterien einer eng verwandten Gruppe nachweisen. 12

13 Phylogenetischer Stammbaum aller Lebewesen Die messbare (!) phylogenetische Diversität beruht wesentlich auf der Evolution der Mikroben. Die ribosomale 16S rrna Länge von ca Basen ist ausreichend lang (5S rrna ~120, 23S rrna ~2900) V5 V6 V7 V8 Hochkonservierte Struktur (Bereiche die eindeutig vergleichbar sind), aber auch variable Abschnitte In allen Prokaryoten vorhanden (18S rrna in Eukaryoten) V3 5 3 V9 Funktionell homolog (identische Funktion in allen Organismen) Verwendung als evolutionäres Chronometer Grob 1% Sequenz-Abweichung in 50 Millionen Jahren V1 V2 absolut konserviert hoch variabel E. coli, aber nicht in > 75% aller Bakterien Yves Van de Peer (1996), modifiziert 13

14 Phylogenetischer Stammbaum: Konstruktion Phylogenetischer Stammbaum: Betrachtung 14

15 So eine Unverschämtheit all die wunderbare Klarheit ist dahin das hätte man verbieten sollen! Purves et al. - Vielfalt der Vorfahren - Horizontaler Gentransfer zwischen den Organismengruppen - Was bedeutet monophyletisch? 15

16 Horizontaler Gentransfer Es gibt mehr als nur einen Stammbaum. Die Evolution ist schnell und springt auch horizontal (vgl. Multi-Resistenz-Plasmide). Endocytobionten Pflanzen und Tiere entwickelten sich unter wesentlicher Mithilfe von Prokaryoten. 16

17 Endocytobionten 18 % der Gene stammen von Cyanobakterien Süchtig machende Plasmide bei Prokaryoten - Plasmide: nicht essenzielle DNA (z.b. Resistenz-Gene), außerhalb des Chromosoms (ringförmig oder linear) - Aber: Oft raffiniert gegen Entfernen aus der Zelle gesichert: - Kurze, benachbarte Gensequenzen codieren ein konstitutiv gebildetes Toxin, das die Trägerzelle umbringen kann, und gleichzeitig ein Antitoxin dagegen! - Das Antitoxin ist weniger langlebig als das Toxin, wird aber im relativen Überschuss gebildet - Was geschieht, wenn das Plasmid aus der Zelle verloren geht? 17

18 Ist Diversität gleich Artenvielfalt? Morphologie Physiologie und Ökologie Taxonomie Phylogenie Purves: Kapitel 27 u. 28 Test zum guten Schluss Welcher Protist ist das? ;-) 18