Physiology of Pseudovibrio Sp. FO-BEG1 – a Facultatively Oligotrophic and Metabolically Versatile Bacterium
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Physiology of Pseudovibrio sp. FO-BEG1 – a facultatively oligotrophic and metabolically versatile bacterium Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat. - dem Fachbereich Biologie/Chemie der Universität Bremen vorgelegt von Vladimir Bondarev Bremen, Februar 2012 Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von Januar 2008 bis Februar 2012 am Max-Planck- Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen angefertigt. 1. Gutachterin: Prof. Dr. Heide Schulz-Vogt 2. Gutachter: Prof. Dr. Ulrich Fischer 3. Prüfer: Prof. Dr. Rudolf Amann 4. Prüfer: PD Dr. Jens Harder Table of contents Summary 4 Zusammenfassung 6 Chapter I General introduction 8 The genus Pseudovibrio 9 Sponges and sponge-bacteria associations 13 Bacterial secretion systems and their role in symbiosis 16 Type III secretion system 16 Type VI secretion system 18 Oligotrophy in the oceans and bacterial adaptations 19 Phosphorus in oceanic environments 20 Phosphate limitation and the Pho regulon 23 Aim of the thesis 25 Chapter II The genus Pseudovibrio contains metabolically versatile and symbiotically interacting bacteria 34 Chapter III Isolation of facultatively oligotrophic bacteria 107 Chapter IV Pseudovibrio denitrificansT versus Pseudovibrio sp. FO-BEG1 – a comparison 121 Chapter V Response to phosphate limitation in Pseudovibrio sp. strain FO-BEG1 138 Chapter VI General conclusions 185 New aspects of the physiology of Pseudovibrio spp.-related strains 186 Pseudovibrio sp. FO-BEG1: a facultative symbiont of marine invertebrates 190 Phosphate starvation of Pseudovibrio sp. FO-BEG1 and implications for the environment 193 Pseudovibrio sp. strains FO-BEG1 and JE062 belong to the Pseudovibrio denitrificans species 200 Perspectives 201 Acknowledgments 210 Summary Bacteria belonging to the genus Pseudovibrio are frequently found in marine habitats, mainly in association with sponges, corals and tunicates. Particularly sponges harbor populations of Pseudovibrio spp.-related bacteria, which led to the proposal that this genus contains sponge symbionts. However, the physiology of the genus Pseudovibrio is insufficiently studied and hardly anything is known about its relevance in the environment. In the course of this thesis, the Pseudovibrio strain FO-BEG1 was investigated. It had previously been enriched together with the sulfide oxidizing Beggiatoa sp. 35Flor from a black band diseased coral and was eventually cultured axenically, permitting sequencing of the genome as well as metabolic studies and investigations of physiological changes under different growth conditions. The results of the genomic and physiological analyses of Pseudovibrio strain FO- BEG1 are described in Chapter II. Strain FO-BEG1 was shown to be a generalistic bacterium with a versatile metabolism, capable of importing and oxidizing a wide range of organic and inorganic compounds to meet its carbon, nitrogen, phosphorous and energy requirements under oxic and anoxic conditions. Furthermore, the genomic analysis of strain FO-BEG1 revealed adaptations to a eukaryote-associated life style. Genes that could promote bacteria-host interactions and facilitate attachment or invasion of host cells were identified in the genome of Pseudovibrio sp. FO-BEG1. Interestingly, comparative genomics with Pseudovibrio strain JE062, a strain that has been isolated from a sponge, demonstrated the presence of almost identical physiological and symbiosis-related features in the genome of the sponge-associated isolate, indicating a close relationship of both strains. Additionally, strain FO-BEG1 was shown to grow under extreme nutrient limitation, which has been studied along with the isolation of other bacteria capable to grow in nutrient-rich and -depleted environments, as shown in Chapter III. In Chapter IV, the phylogenetic affiliation of Pseudovibrio sp. FO-BEG1 is discussed. This question is resolved by using a polyphasic approach and comparing the genotypic and phenotypic data with the Pseudovibrio denitrificans type strain. It is suggested that Pseudovibrio sp. FO-BEG1 represents a new strain within the P. denitrificans species and not a new species within the genus Pseudovibrio, because the two strains are physiologically very - 4 - similar and the genotypic analysis revealed values which are only at the border of justifying the description of a new species. Growth under phosphate limited conditions, as described in Chapter V, induces an adaptive response in Pseudovibrio sp. FO-BEG1, characterized by the secretion of a yellow component into the medium. Detailed chemical, physiological and proteomic analysis were performed to characterize changes in the metabolism of Pseudovibrio sp. FO-BEG1 cells grown under phosphate limitation and phosphate surplus. Along with secretion of yet unidentified metabolites, FO-BEG1 cells regulate the expression of proteins involved in many different cellular processes like cell envelope modification and oxidative stress response and induce the expression of enzymes required for degradation of phosphorus-containing molecules as well as high-affinity transporters for phosphates and phosphonates. Furthermore, initial analysis of secreted metabolites was performed using a Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer, which will help to chemically and structurally characterize the extracellular compounds. - 5 - Zusammenfassung Bakterien, die zur Gattung Pseudovibrio gehören, findet man in marinen Habitaten, hauptsächlich assoziiert mit Schwämmen, Korallen und Tunikaten. Insbesondere werden Schwämme von Pseudovibrio spp.-verwandten Bakterien besiedelt, was zu der Vermutung führte, dass die Gattung Pseudovibrio auch Symbionten von Schwämmen einschließt. Allerdings ist die Physiologie dieser Bakterien noch unzureichend untersucht. Auch die Auswirkungen des Metabolismus und die daraus resultierende Relevanz für den marinen Lebensraum sind ungeklärt. In der vorliegenden Dissertation wurde der Stamm Pseudovibrio sp. FO-BEG1 untersucht. Wurde der Stamm FO-BEG1 anfänglich zusammen mit dem sulfidoxidierenden Bakterium Beggiatoa sp. 35Flor aus einer von der Schwarzband- Krankheiten befallenen Koralle angereichert, so wird er derzeit axenisch kultiviert. Das Vorhandensein dieser Reinkultur ermöglichte die Sequenzierung des Genoms von Pseudovibrio sp. FO-BEG1, sowie Untersuchungen über den Metabolismus und den physiologischen Veränderungen bei unterschiedlichen Wachstumsbedingungen. Die Ergebnisse der genomischen und physiologischen Analyse von Pseudovibrio sp. FO-BEG1 sind in Kapitel II dargestellt. Es wurde gezeigt, dass Stamm FO-BEG1 ein generalistisches Bakterium mit einem vielfältigen Metabolismus ist. Es hat die Fähigkeit, viele unterschiedliche organische und anorganische Substanzen aufzunehmen und zu oxidieren, um seine Kohlenstoff-, Stickstoff-, Phosphor- und Energieversorgung unter oxischen und anoxischen Bedingungen zu gewährleisten. Weiterhin wurde bei der genomischen Untersuchung festgestellt, dass Stamm FO-BEG1 Anpassungen an eine Eukaryoten-assozierte Lebensweise aufweist. Es wurden Gene identifiziert, die für Interaktionen zwischen Bakterien und dem Wirt sowie die Anhaftung oder das Eindringen in die Wirtszellen notwendig sein können. Zusätzlich wurde das Genom eines zweiten Stammes, Pseudovibrio sp. JE062, der direkt aus einem Schwamm isoliert wurde, für vergleichende Genomik verwendet. Es wurde festgestellt, dass die untersuchten physiologischen und symbiotischen Eigenschaften, die bei Pseudovibrio sp. FO-BEG1 identifiziert wurden, auf genetischer Ebene fast identisch im Stamm JE062 vorliegen, was darauf hinweist, dass die Stämme FO-BEG1 und JE062 miteinander nah verwandt sind. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass Pseudovibrio sp. FO-BEG1 unter extremer Nährstofflimitierung wachsen kann. Dieser Aspekt wurde, im Vergleich mit anderen Bakterien, die unter Nährstoffmangel sowie Nährstoffüberfluss leben können, genauer in Kapitel III untersucht. - 6 - In Kapitel IV wird auf genotypischer und phänotypscher Ebene die phylogenetische Zugehörigkeit von Pseudovibrio sp. FO-BEG1 in einer vergleichenden, polyphasischen Untersuchung mit dem Pseudovibrio denitrificans Typstamm diskutiert. Die Resultate deuten darauf hin, dass Pseudovibrio sp. FO-BEG1 einen neuen Stamm innerhalb der P. denitrificans Spezies darstellt. Für die Beschreibung einer neuen Pseudovibrio Spezies konnten nicht genügend physiologische und genotypische Unterschiede zwischen P. denitrificansT und dem Stamm FO-BEG1 festgestellt werden. In Kapitel V wird die adaptive Antwort von Pseudovibrio sp. FO-BEG1 auf Phosphatlimitierung, die durch die Ausscheidung einer gelben Substanz ins Medium charakterisiert ist, diskutiert. Chemische, physiologische und proteomische Untersuchungen wurden durchgeführt, um die Unterschiede zwischen Pseudovibrio sp. FO-BEG1 Zellen, die unter Phosphatlimitierung bzw. -überfluss gewachsen sind, zu charakterisieren. Neben der Sekretion von bisher unidentifizierten Metaboliten verändern FO-BEG1 Zellen unter Phosphatlimitierung die Expression von Proteinen, die an verschiedenen zellulären Prozessen beteiligt sind. Zum Beispiel führt Phosphatlimitierung zur Modifikation der Zellmembran, zur Induktion von Proteinen zum Schutz vor oxidativem Stress und auch zur Induktion von Enzymen für den Abbau phosphorhaltiger Verbindungen. Außerdem ist die Expression hochaffiner Transporter für Phosphate und Phosphonate hochreguliert. Darüber hinaus wurden erste Analysen der ausgeschiedenen Metabolite mittels Fouriertransformations- Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie