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Diversity and ecology of chemosynthetic symbioses in deep-sea invertebrates [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Jillian M. Petersen

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Published 01 January 2009
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Language English
Document size 12 MB

Diversity and Ecology of
Chemosynthetic Symbioses in
Deep-Sea Invertebrates
Dissertation
zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
- Dr. rer. nat. -
dem Fachbereich Biologie/Chemie der
Universit¨ at Bremen
vorgelegt von
Jillian M. Petersen
Bremen
July 2009Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von April 2006 bis Juli 2009 in
der Symbiose-Gruppe am Max-Planck-Institut fur¨ marine Mikrobiologie in
Bremen angefertigt.
1. Gutachterin: Dr. Nicole Dubilier
2. Gutachterin: Prof. Dr. Barbara Reinhold
Tag des Promotionskolloquiums: 15. September 2009
Auf dem Deckblatt: Rimicaris exoculata Garnelen undBathymodiolus puteoser-
pentis Muscheln auf einem schwarzen Raucher, Logatchev Hydrothermalfeld,
Mittel-Atlantischer Ruc¨ ken. Copyright Woods Hole Oceanographic Institu-
tion.‘Finish each day and be done with it. You have done what you could. Some
blunders and absurdities no doubt crept in, forget them as soon as you can.
Tomorrow is a new day, you shall begin it well and serenely...’
- Ralph Waldo EmersonSummary
The energy sources that drive biological processes at deep-sea hydrothermal vents and cold
seeps include methane and reduced inorganic compounds such as sulfide and hydrogen.
These compounds are unavailable to metazoan life, but can be used by chemoautotrophic
or methanotrophic bacteria to fuel chemosynthetic primary production. In these habitats,
symbioses between invertebrates and chemoautotrophic or methanotrophic bacteria form
the basis of ecosystems that thrive in the absence of sunlight.
This thesis is made up of two thematic parts. In the first part, two reviews on methane-
oxidizing symbionts are presented. Methanotrophic symbiotic bacteria have so far been
found in invertebrate animals at hydrothermal vents and cold seeps in the deep sea, and
in a plant host in a terrestrial wetland. No methane-oxidizing symbiont has yet been
cultured. Therefore, the evidence for methanotrophy in these bacteria has come from
ultrastructural, enzymatic, physiological, stable isotope, and molecular biological studies
of the symbiotic host tissues. Despite being found in a wide range of hosts, all marine
methanotrophic symbionts for which 16S rRNA sequences are available belong to a single
lineage within the Gammaproteobacteria. Methane-oxidizing symbionts in the terrestrial
habitat belong to the Alphaproteobacteria. However, many of these symbionts have not
yet been characterized with molecular methods, and may be more diverse than currently
recognized. These reviews summarize the current knowledge of methane-based symbioses,
and identify topics for future research.
In the second part of this thesis, I present two studies on the ectosymbiosis of Rimicaris
exoculata, an alvinocaridid shrimp from hydrothermal vents on the Mid-Atlantic Ridge
(MAR). These shrimp have filamentous ectosymbionts on modified appendages and the
inner surfaces of the gill chamber. The symbionts were previously assumed to be ep-
silonproteobacterial sulfur oxidizers. Using the full-cycle 16S rRNA approach, I identified
a second filamentous ectosymbiont that belongs to a novel symbiotic lineage within the
Gammaproteobacteria. To investigate the biogeography of the symbiosis, I compared the
16S rRNA gene sequences of ectosymbionts from four MAR vent fields, Rainbow, TAG,
Logatchev, and South MAR, which are separated by up to 8500 km along the MAR. Differ-
ences in the 16S rRNA gene for both the gammaproteobacterial and epsilonproteobacterial
symbionts were correlated with geographic distance. In contrast, the phylogeny of the free-
living relatives of the epsilonproteobacterial symbiont showed no obvious geographic trend.
Host-symbiont recognition could explain the observed symbiont distribution.
The metabolism of the symbionts from the Rainbow vent field was investigated by ther-
modynamic modelling, sequencing of key metabolic genes, and immunohistochemical la-
belling of proteins in single epibiont cells. Key genes for carbon fixation by the reductive
TCA and CBB cycles indicate that both symbionts can fix CO . Key genes for hydro-2
gen, methane, and sulfur oxidation indicate that the epibionts have the potential to use
these three energy sources. In addition, immunohistochemistry showed that particulate
methane monooxygenase is expressed by the gammaproteobacterial symbiont, although it
does not belong to any of the currently known methanotrophic lineages. These studies
show that the phylogenetic and functional diversity of the shrimp epibiosis is greater than
previously recognized.Zusammenfassung
An Hydrothermalquellen und Cold-Seeps erm¨ oglichen Methan und reduzierte anorganische
Verbindungen wie Sulfid und Schwefelwasserstoff biologische Prozesse. Diese Verbindun-
gen sind fur¨ h¨ ohere Organismen nicht verfugbar,¨ koennen aber von chemoautotrophen und
methanotrophen Mikroorganismen fur¨ chemosynthetische Prim¨ arproduktion genutzt wer-
den. In diesen Habitaten sind Symbiosen zwischen Invertebraten und c
und Bakterien die Grundlage fur¨ Licht-unabh¨ angiges Leben.
Diese Dissertation besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil werden zwei Review-Artikel
ueber Methanotrophe Symbionten vorgestellt. Methanotrophe Symbionten wurden bis-
lang in Invertebraten an Hydrothermalquellen und Cold-Seeps in der Tiefsee und in
einer Moospflanze eines terrestrischen Habitats gefunden. Bislang wurde kein Methan-
oxidierender Symbiont im Labor kultiviert. Beweise fuer die Methanotophie diesen Bak-
terien stammen daher von Untersuchungen zu Ultrastruktur, Enzymatik, Physiologie, Iso-
topie, und Molekular-Biologie. Trotz ihrer weiten Verbreitung in vielen Wirtsorganismen
geh¨ oren alle marinen methanotrophen Symbionten mit bekannter 16S rRNA Gensequenz
zu einer einzigen Gruppe innerhalb der Gammaproteobakterien. Terrestrische, Methan-
oxidierende Symbionten geh¨ oren dagegen zu den Alphaproteobakterien. Viele dieser Sym-
bionten sind jedoch noch nicht molekularbiologisch charakterisiert und sind m¨ oglicherweise
diverser als bislang bekannt. Diese Review-Artikel fassen den aktuellen Wissensstand
Methan-basierter Symbiosen zusammen und geben Ausblick auf zukunftige¨ Forschungss-
chwerpunkte.
Im zweiten Teil dieser Dissertation stelle ich zwei Untersuchungen zur Ektosymbiose von
Rimicaris exoculata, einer alvinocarididen Garnele von Hydrothermalquellen des Mittel-
Atlantischen Ruc¨ kens (MAR), vor. Modifizerte Gliedmaße und innere Oberfl¨ achen der
Kiemenh¨ ohlen der Wirte sind von filament¨osen Ektosymbionten besiedelt, welche fruher¨ als
schwefeloxidierende und ausschliesslich epsilonproteobakterielle Organismen beschrieben
wurden. Anhand des 16S rRNA Ansatzes habe ich einen zweiten filament¨osen Ektosym-
bionten identifiziert, welcher zu einer neuen Gruppe von symbiontischen Gammapro-
teobakterien geh¨ ort. Die Biogeographie der Ektosymbionten von den vier Hydrothermal-
Feldern Rainbow, TAG, Logatchev und South MAR habe ich basierend auf 16S rRNA
Gensequenzen vergleichend untersucht. Diese Untersuchungsgebiete sind bis zu 8500
km von einander entfernt. Unterschiede zwischen den 16S rRNA Gensequenzen korre-
lierten mit der geographischen Verteilung sowohl der gammaproteobakteriellen als auch
der epsilonproteobakteriellen Symbionten. Im Gegensatz dazu zeigten die freileben-
den Verwandten der epsilonproteobakteriellen Symbionten keine eindeutige Korrelation
mit der Geographie. Die spezifische Erkennung von Wirt und Symbiont konn¨ te das
Verteilungsmuster erkl¨ aren.
Abschliessend wurden die Stoffwechsel-Kapazit¨ aten der Symbionten des Rainbow
Hydrothermal-Feld anhand thermodynamischer Modellierung, Sequenzierung von Genen
zentraler Stoffwechselfunktionen und immunohistochemischer Markierung von Proteinen
direkt in Symbionten-Zellen untersucht. Der Nachweis von Schlusselgenen¨ des reduktiven
TCA-Zyklus und des CBB-Zyklus deuten darauf hin, dass beide Symbionten CO fixieren2
k¨ onnen. Detektierte Gene zur Oxidation von Wasserstoff, Methan und Schwefel zeigen
die m¨ ogliche F¨ ahigkeit diese Verbindungen als Energiequelle zu nutzen. Darub¨ er hinaus
wurde immunohistochemisch die Expression der partikul¨ aren Methan Monooxygenase im
gammaproteobakteriellen Symbionten gezeigt, wobei dieser Organismus phylogenetisch
nicht zu den bislang bekannten Methanotrophen geh¨ ort. Diese Untersuchungen legen
nahe, dass die phylogenetische und physiologische Diversit¨ at dieser Symbiosen gr¨ oßer ist
als bislang angenommen.TABLE OF CONTENTS
Contents
I Introduction 13
1 Chemosynthesis 14
1.1 Energy sources for chemosynthetic microorganisms ...... 14
1.2 Carbon for chemosynthetic micro 15
1.2.1 CO fixation pathways .................. 172
1.2.2 CH incorporation .................... 194
1.3 Chemosynthetic animals?..................... 21
2 Diversity of habitats 22
2.1 Hydrothermal vents........................ 23
2.1.1 The geological setting of hydrothermal vents ...... 23
2.1.2 Hydrothermal circulation and the chemical and physi-
cal properties of vent fluids ............... 28
2.1.3 Heterogeneity of vent fluid composition on the Mid-
Atlantic Ridge....................... 32
2.2 Cold Seeps............................. 33
2.2.1 The geological setting of cold seeps ........... 33
2.3 Analogous habitats ........................ 34
2.3.1 Shallow-water marine sediments ............. 34
2.3.2 Whale falls 35
2.3.3 Sunken wood and shipwrecks .............. 35
3 Diversity of hosts 36
3.1 Marine invertebrate hosts with endosymbionts ......... 42
3.2 inv hosts with ectosymbionts 46
4 Diversity of microbes 49
4.1 Sulfur-oxidizing symbionts .................... 50
7TABLE OF CONTENTS
4.2 Methane-oxidizing symbionts................... 52
4.3 Multiple co-occurring symbionts ................. 52
4.4 Genomics and proteomics of chemosynthetic symbionts .... 53
5 Rimicaris exoculata 55
5.1 Distribution ............................ 57
5.2 Reproduction and dispersal ................... 57
5.3 Symbiosis in Rimicaris shrimp . . ................ 59
5.3.1 Role of the symbionts 59
5.3.2 Metabolism of the symbionts............... 59
5.4 Phylogeny of the R. exoculata epibionts............. 62
6 Microbial biogeography at hydrothermal vents 63
7 Aims 65
II List of Publications 67
III Manuscripts 71
IV Concluding remarks 165
8 Summary and Conclusions 166
9 Outlook 170
Bibliography 174
Acknowledgements 205
V Appendix 206
8LIST OF FIGURES
List of Figures
1.1 The five pathways of CO fixation. ............... 162
1.2 Metabolic pathways in methanotrophs ............. 20
2.1 The global system of mid-ocean ridges 24
2.2 Ridge morphology......................... 28
2.3 Global distribution of hydrothermal vents ........... 29
2.4 The hydrothermal system .................... 31
2.5 Sulfide production at whale falls................. 36
3.1 Examples of eukaryotic hosts with chemosynthetic symbionts . 38
5.1 The habitat of Rimicaris exoculata ............... 56
5.2 Phylogeny of the Alvinocarididae ................ 56
5.3 Distribution of R. exoculata ................... 57
5.4 Morphology of the R. exoculata symbiosis ........... 60
9LIST OF TABLES
List of Tables
1.1 Redox reactions that fuel chemosynthesis ............ 15
2.1 Classification of mid-ocean ridges . . .............. 26
2.2 Chemical composition of hydrothermal fluids .......... 30
3.1 Eukaryotic hosts of chemosynthetic symbionts ......... 39
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