Universität zu Köln

In terrestrischen Ökosystemen fixieren Bodenalgen Kohlenstoff in einer Größenordnung, die etwa 31 % der globalen anthropogenen Kohlenstoffemissionen entspricht. In natürlichen Habitaten rekrutieren Algen Mikroorganismen aus ihrer Umgebung in die sogenannte Phycosphäre, einen die Algenzellen unmittelbar umgebenden Bereich, der funktionell der Rhizosphäre von Landpflanzen entspricht. Die Phycosphäre ist durch algenstämmige Ausscheidungen angereichert, welche die mikrobielle Besiedlung, insbesondere durch Bakterien, fördern. Im Gegenzug für von den Algen bereitgestellten Kohlenstoff und Metabolite versorgen mikrobielle Gemeinschaften ihre photosynthetischen Wirte mit Mikronährstoffen, tragen zur Abmilderung von Stress bei oder bieten Schutz vor Pathogenen. Trotz ihrer Bedeutung für den globalen Kohlenstoffkreislauf und die Abschwächung des Klimawandels sowie der Abhängigkeit vieler Algen von bakteriellen Partnern für ein optimales Wachstum sind die Interaktionen mikroskopisch kleiner Bodenalgen mit ihren assoziierten Phycosphären-Gemeinschaften bislang nur unzureichend erforscht. Jüngere Studien haben gezeigt, dass subaeriale Grünalgen, darunter die Modellalge Chlamydomonas reinhardtii, ihre Phycosphären-Mikrobiota aus bodenbürtigen Bakterien rekrutieren und strukturieren können. Unklar blieb jedoch bisher, wie verbreitet diese Fähigkeit innerhalb der Grünalgen ist und inwieweit die Identität des Wirts die Zusammensetzung der Gemeinschaft bestimmt. Ebenso war bislang unbekannt, ob neben Bakterien auch bodenbürtige Pilze in die Phycosphäre rekrutiert werden. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen kombinierten wir ökologische Charakterisierungen mit molekularbiologischen Analysen. Zunächst untersuchten wir die mit subaerialen Algen in einer terrestrischen Umgebung assoziierten Bakterien- und Pilzgemeinschaften und analysierten die zeitliche Dynamik bakterieller Gemeinschaften in kontrollierten Flüssigkulturexperimenten. Anschließend charakterisierten wir die transkriptionelle Antwort von C. reinhardtii auf seine Phycosphären-Mikrobiota, um Prozesse und Gene zu identifizieren, die für diese Interaktion potenziell relevant sind. Mithilfe des ersten Ansatzes zeigen wir, dass subaeriale Grünalgen aus verschiedenen Linien, von Chlorophyta bis Streptophyta, jeweils spezifische Phycosphären-Gemeinschaften aus bodenbürtigen Bakterien und Pilzen assemblieren und dass die Wirtsidentität den wichtigsten Einflussfaktor für die Zusammensetzung dieser Gemeinschaften darstellt. Während die bakteriellen Gemeinschaften im Boden durch die Algenwirte stark umgeformt wurden, reagierten die Pilzgemeinschaften schwächer und weniger konsistent. Um umweltbedingte Variabilität zu minimieren, untersuchten wir zudem die Assemblierung bakterieller Gemeinschaften in einem kontrollierten, flüssigkeitsbasierten System. Dabei konnten wir eine signifikante Korrelation zwischen der Phylogenie des Wirts und der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft nachweisen, die ein charakteristisches Merkmal der Phylosymbiose ist. Unter den in den Algen-Phycosphären nachgewiesenen bakteriellen und pilzlichen Taxa identifizierten wir auch Gruppen, die auch als Assoziationspartner von Landpflanzen bekannt sind, darunter Rhizobiales und Hypocreales. Dies stützt die Annahme, dass bestimmte mikrobielle Taxa mit einer Vielzahl photosynthetischer Wirte interagieren können. Mit dem zweiten Ansatz liefern wir die erste Charakterisierung der transkriptionellen Antwort des Modellchlorophyten C. reinhardtii auf seine Phycosphäre-Mikrobiota und identifizieren Prozesse, die für diese Interaktion von Bedeutung sein könnten. Wir zeigen, dass die Phycosphären-Gemeinschaft eine koordinierte Umprogrammierung der Genexpression in C. reinhardtii auslöst, die auf einen Übergang von einem katabolen zu einem wachstums- und biosyntheseorientierten Stoffwechsel hinweist. Diese veränderte Genexpression wird möglicherweise durch bakterielle Beiträge, wie etwa CO₂ und andere Metabolite, unterstützt und umfasst eine Hochregulation biosynthetischer Stoffwechselwege, der Translationsmaschinerie sowie von Genen, die am metabolischen Austausch beteiligt sind. Zentral für die postulierte Interaktion sind die Veränderungen in der Aminosäureoxidation, vermittelt durch die L­Aminosäureoxidase (LAO1), in Kombination mit der SynCom-abhängigen Hochregulation des Ammoniumtransports und der Ammoniumassimilation, der durch Agmatiniminohydrolase vermittelten Putrescinbiosynthese sowie des Aminosäureaustausch über einen bidirektionalen Aminosäuretransporter (BAT1). Teile dieser Antwort sind zwischen C. reinhardtii und evolutionär weit entfernten Landpflanzen konserviert, was auf einen möglichen gemeinsamen evolutionären Ursprung hindeutet. Die identifizierten Kandidatengene stellen einen Ausgangspunkt für eine funktionelle Validierung mithilfe verfügbarer C. reinhardtii-Mutanten dar. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass die Fähigkeit zur Assemblierung spezifischer Phycosphären-Gemeinschaften bei subaerialen Grünalgen weit verbreitet ist und möglicherweise bereits vor der Aufspaltung von Chlorophyta und Streptophyta existierte. Die Konservierung bestimmter transkriptioneller Antworten zwischen C. reinhardtii und Landpflanzen legt nahe, dass grundlegende Prinzipien der Wirt-Mikroben-Interaktion über evolutionär weit entfernte photosynthetische Organismen hinweg erhalten geblieben sind. Diese Arbeit erweitert unser Verständnis der Mechanismen, die die Interaktionen terrestrischer Algen mit ihrer Phycosphären-Mikrobiota steuern, sowie der evolutionären Ursprünge der Interaktionen zwischen photosynthetischen Organismen und Bakterien und könnte mikrobiombasierter Strategien für biotechnologische Anwendungen beitragen.

German