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Marine bacteroidetes [Elektronische Ressource] : distribution patterns and role in degradation of organic matter / vorgelegt von Paola Rocio Gómez Pereira

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Marine Bacteroidetes:distribution patterns and role in thedegradation of organic matterDissertationzur Erlangung des Grades einesDoktors der Naturwissenschaften- Dr. rer. nat. -dem Fachbereich Biologie/Chemie derUniversit¨at Bremenvorgelegt vonPaola Rocio G´ omez PereiraBremen, Februar 2010Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von April 2007 bis Februar 2010am Max–Planck–Institut fur¨ marine Mikrobiologie in Bremen angefertigt.1. Gutachter: Prof. Dr. Rudolf Amann2. Gutachter: Prof. Dr. Victor Smetacek1. Prufer:¨ Dr. Bernhard Fuchs2. Prufer:¨ Prof. Dr. Ulrich FischerTag des Promotionskolloquiums: 9 April 2010Para mis padresAbstractOceans occupy two thirds of the Earth’s surface, have a key role in biogeochem-ical cycles, and hold a vast biodiversity. Microorganisms in the world oceans are29extremely abundant, their abundance is estimated to be 10 . They have a centralroleintherecyclingoforganicmatter,thereforetheyinfluencetheair–seaexchangeof carbon dioxide, carbon flux through the food web, and carbon sedimentationby sinking of dead material. Bacteroidetes is one of the most abundant bacterialphyla in marine systems and its members are hypothesized to play a pivotal rolein the recycling of organic matter. However, most of the evidence about their roleis derived from cultivated species.

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Published 01 January 2010
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Marine Bacteroidetes:
distribution patterns and role in the
degradation of organic matter
Dissertation
zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
- Dr. rer. nat. -
dem Fachbereich Biologie/Chemie der
Universit¨at Bremen
vorgelegt von
Paola Rocio G´ omez Pereira
Bremen, Februar 2010Die vorliegende Arbeit wurde in der Zeit von April 2007 bis Februar 2010
am Max–Planck–Institut fur¨ marine Mikrobiologie in Bremen angefertigt.
1. Gutachter: Prof. Dr. Rudolf Amann
2. Gutachter: Prof. Dr. Victor Smetacek
1. Prufer:¨ Dr. Bernhard Fuchs
2. Prufer:¨ Prof. Dr. Ulrich Fischer
Tag des Promotionskolloquiums: 9 April 2010Para mis padresAbstract
Oceans occupy two thirds of the Earth’s surface, have a key role in biogeochem-
ical cycles, and hold a vast biodiversity. Microorganisms in the world oceans are
29extremely abundant, their abundance is estimated to be 10 . They have a central
roleintherecyclingoforganicmatter,thereforetheyinfluencetheair–seaexchange
of carbon dioxide, carbon flux through the food web, and carbon sedimentation
by sinking of dead material. Bacteroidetes is one of the most abundant bacterial
phyla in marine systems and its members are hypothesized to play a pivotal role
in the recycling of organic matter. However, most of the evidence about their role
is derived from cultivated species. Bacteroidetes is a highly diverse phylum and
cultured strains represent the minority of the marine bacteroidetal community,
hence, our knowledge about their ecological role is largely incomplete.
In this thesis Bacteroidetes in open ocean and in coastal seas were investigated
by a suite of molecular methods. The diversity and clade–specific abundance of
Bacteroidetes were analyzed in different oceanic provinces in the North Atlantic
Ocean. Comparative sequence analysis of 16S ribosomal RNA (rRNA) gene li-
braries revealed a high diversity and significant spatial variability. Major bac-
teroidetal clades were delimited based on 16S rRNA gene sequence identities and
further quantified by fluorescence in situ hybridization (FISH). Preliminary FISH
analysis indicated that certain Bacteroidetes clades were present in numbers lower
than the detection limit of the method. Therefore, the FISH quantification pro-
tocol was modified by increasing the sample volume, which allowed us to reliably
−1quantify populations down to absolute numbers of only 500 cells ml .
All bacteroidetal clades evaluated showed pronounced regional distribution
patterns. Interestingly, our analysis revealed that the bacteroidetal community
compositionlargelyreflectsthesatellitespace–baseddemarcationofoceanprovinces.
Large insert fosmid–based metagenomic libraries constructed from two distinct
viioceanic provinces in the North Atlantic Ocean and an extensive genome compari-
songavefirstinsightsintoanadaptationofthebacteroidetalcommunitytodistinct
environmentalconditions. GenomicanalysishighlightedthatmarineBacteroidetes
have a marked metabolic potential for the degradation of proteins and bacterial
cell wall components, particularly in oligotrophic water masses. Our findings also
provide evidence of a strong specialization for the degradation of particular poly-
mers. Glycolytic potential was confined to a member of the genus Polaribacter
which had several glycoside hydrolases, and a higher number of sulfatases than
other members of the same genus. This Polaribacter flavobacterium might repre-
sent an ecotype within the genus with a particular adaptation for the degradation
of sulfated polysaccharides, known to be major constituents of phytoplankton cell
walls. Supporting the hypothesis of Bacteroidetes as particle inhabitants, a spe-
cific in situ enrichment of certain bacteroidetal clades in the phycosphere of phy-
toplankton cells was proved in the phytoplankton-rich oceanic province. We could
establish a link between Bacteroidetes metabolic information, organism identity,
and abundance, thus providing hints with respect to the significance of certain
metabolic traits. Furthermore, the Bacteroidetes clades delimited in the open
ocean were also identified in the coastal systems analyzed in this thesis, giving
evidence about the ecological relevance of those bacteroidetal clades in different
marine settings. In summary, the combination of genomics and diversity studies
allowed us to link main aspects about the Bacteroidetes community, enabling the
better understanding of their ecological role in marine systems.Zusammenfassung
Ozeane bedecken zwei Drittel der Erdoberflac¨ he, besitzen zentrale Funktionen in
den biogeochemischen Stoffkreislaufen und beinhalten eine große Biodiversitat.¨ ¨
29Mikroorganismen sind in den Ozeanen sehr abundant, ihre Zahl wird auf 10
gesch¨atzt. Sie spielen eine zentrale Rolle im Recycling von organischem Material,
dabei beeinflussen sie den Austausch des Kohlendioxids zwischen Luft und Meer,
den Kohlenstofffluss in der biologischen Nahrungskette und die Ablagerung von
Kohlenstoff durch Absinken von totem Material. Bacteroidetes sind eines der am
haufigsten vorkommenden Bakterien–Phyla in marinen Systemen und es wird an-¨
genommen, dass sie Schlusselfunktionen im Recycling von organischem Material¨
besitzen. Allerdings sind die meisten dieser Funktionen von kultivierten Arten ab-
geleitet.Bacteroidetes sind phylogenetisch ein sehr diverses Phylum, jedoch gibt es
nur wenige kultivierte Stamme vonBacteroidetes aus marinen Habitaten. Dement-¨
sprechend ist unser Wissen uber ihre okologischen Rolle großtenteils unvollstandig.¨ ¨ ¨ ¨
IndieserArbeitwurdenBacteroidetes ausdemoffenenOzeanundauskustennahen¨
MeerenmittelsmehrerermolekularbiologischerMethodenuntersucht.Eswurdedie
Diversitat und Gruppen–spezifische Haufigkeit von Bacteroidetes in verschiedenen¨ ¨
ozeanischen Provinzen des Nordatlantischen Ozeans analysiert. Vergleichende Se-
quenzanalysen von 16S ribosomalen RNA (rRNA) Genbanken zeigte eine große
Vielfalt und eine signifikante raumlic¨ he Variabilitat.¨ Die vorherrschenden Bacte-
roidetes–Gruppen konnten anhand der 16S rRNA Gensequenzierung definiert und
durch Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) quantifiziert werden. Vorlaufige¨
FISH Analysen zeigten, dass bestimmte Entwicklungslinien der Bacteroidetes in
ihrer H¨aufigkeit unterhalb der Nachweisgrenze der Methode lagen. Demzufolge
wurde das Protokoll zur Quantifizierung von FISH–positiven Zellen modifiziert.
Eine Erhoh¨ ung des filtrierten Probenvolumens ermoglic¨ hte es mir, auch Popula-
−1tionen von nur 500 Zellen ml zuverlassig zu quantifizieren.¨
ixAlle untersuchten Bacteroidetes–Gruppen zeigten ausgepr¨agte regionale Ver-
teilungsmuster. Interessanterweise zeigte unsere Analyse, dass die Anordnung der
Gemeinschaft der Bacteroidetes großtenteils mit der Satelliten–gestutzten Abgren-¨ ¨
zung der ozeanischen Provinzen ubereinstimmt. Aus zwei verschiedenen ozeani-¨
schen Provinzen des Nordatlantiks wurden große Fosmid–basierte Metagenomban-
ken konstruiert und ein umfassender Genomvergleich erlaubte erste Einblicke in
die Anpassung der Bacteroidetes an verschiedene Umweltbedingungen. Die Ge-
nomanalysen zeigten, dass marine Bacteroidetes ein deutliches metabolisches Po-
tenzial fur den Abbau von Proteinen und Zellwandbestandteilen von Bakterien¨
besitzen, insbesondere in oligotrophen Wassermassen. Meine Ergebnisse erbrach-
ten ebenso den Nachweis einer starken Spezialisierung im Abbau von bestimm-
ten Polymeren. Das glykolytische Potenzial beschrankte¨ sich auf ein Mitglied der
Gattung Polaribacter, das einige Glycosid–Hydrolasen besaß und eine gr¨oßere An-
zahl von Sulfatasen aufwies, als andere Mitglieder dieser Gattung. Dieses Flavo-
¨bakterium der Gattung Polaribacter konnte innerhalb der Gattung einen Okotyp¨
darstellen, der sulfathaltige Polysaccharide abbaut. Diese Polysaccharide geh¨oren
zu den Hauptbestandteilen der Zellwande¨ des Phytoplankton. Die Hypothese,
dass Bacteroidetes Partikel besiedeln, konnte in der spezifischen Anreicherung
von bestimmten Gruppen in der Phykosphare von Phytoplanktonzellen aus dem¨
Phytoplankton–reichen Wasser des Nordatlantiks in situ bestatigt werden. In die-¨
ser Arbeit konnte ich zwischen der metabolischen Information, der Identitat¨ der
Organismen und der Haufigk¨ eit der Bacteroidetes eine Verbindung im Hinblick
auf die Signifikanz bestimmter metabolischer Merkmale etablieren. Zudem konn-
ten die Bacteroidetes–Gruppen des offenen Ozeans auch in kustennahen Systemen¨
identifiziert und ihre okologische Relevanz in verschiedenen marinen Habitaten¨
bestimmt werden. Die Kombination von Genomanalysen und Diversitatsstudien¨
erlaubte es mir, wichtige Aspekte der Bacteroidetes-Gemeinschaft zu verknupfen¨
und ihre ¨okologische Rolle in marinen Systemen besser verstehen zu lernen.