Ecological and phylogenetic studies on purple sulfur bacteria based on their pufLM genes of the photosynthetic reaction center

Tank, Marcus

In this thesis pufLM genes were tested for their suitability as phylogenetic markers for purple sulfur bacteria (PSB) and applied in environmental community studies as well as in polyphasic taxonomy. pufLM genes encode for the light and medium subunit of the photosynthetic reaction center type II proteins exclusively present in the polyphyletic group of anoxygenic phototrophic purple bacteria and Chloroflexaceae. Congruency between 16S rRNA gene and pufLM phylogeny was obtained in this study for PSB which allows the identification of phototrophic purple bacteria based on their pufLM gene sequence exclusively. It is concluded that horizontal gene transfer of pufLM genes within the PSB is highly unlikely. Additional phylogenetic calculations including representatives of purple nonsulfur bacteria (PNSB) and aerobic anoxygenic phototrophic Proteobacteria (AAPB) showed a clear separation of the phototrophic purple Alpha-, Beta-, and Gammaproteobacteria, which is antithetic to all pufLM based phylogenetic studies published before and indicates a suitability of pufLM as a phylogenetic marker for PNSB, AAPB and Chloroflexaceae as well. In addition, signature amino acids and nucleotides were revealed for different PSB groups and proved to be a helpful tool in polyphasic taxonomy. The modified primer pair was successfully applied to environmental communities of phototrophic purple bacteria from a Baltic Sea coastal lagoon and a Chilean salt lake. pufLM was further used to monitor changes in community composition at different salinity and temperature conditions via RFLP and cloning experiments. The Baltic Sea coastal lagoon inhabited a highly diverse PSB community of mesophilic salt-tolerant and salt-dependent Chromatiaceae species, co-existing with PNSB and alpha- and gammaproteobacterial AAPB. They were demonstrated to be specifically well adapted to the naturally occurring salinity and temperature variations. However, at elevated temperatures (>40°C) PSB diversity was distinctively lower and the community compostion completely changed. The Chilean Salar de Atacama typifies a slightly alkaline hypersaline environment and was inhabited by a diverse set of so far unidentified phototrophic bacteria, some typical moderately to extremely halophilic PSB of the Chromatiaceae and Ectothiorhodospiraceae and gammaproteobacterial AAPB. The molecular functional gene approach quarried a high diversity of so far unidentified bacteria. Equally, the presence of cultured and uncultured possible new genera and species of PSB was demonstrated indicating that neither the uncultured nor the cultivable diversity of PSB is fully covered, yet.

In der vorliegenden Arbeit wurden die pufLM Gene auf ihre Eignung als phylogenetische Marker für Schwefelpurpurbakterien (PSB) untersucht und zur Analyse natürlicher Bakteriengemeinschaften sowie in der polyphasichen Taxonomie angewendet. pufLM Gene kodieren für die leichte und mittlere Untereinheit des photosynthetischen Reaktionszentrums Typ II und kommen ausschließlich in der polyphyletischen Gruppe der anoxygenen phototrophen Purpurbakterien und Chloroflexaceae vor. Für die PSB konnte eine hohe Übereinstimmung der Phylogenien ihrer 16S rRNA und pufLM Gene gezeigt werden, was eine Identifizierung von PSB anhand ihrer pufLM Gene erlaubt. Horizontaler Gentransfer der pufLM Gene innerhalb der PSB wird als sehr unwahrscheinlich erachtet. Mittels zusätzlicher phylogenetischer Berechnungen mit Vertretern von Nichtschwefelpurpurbakterien (PNSB) und aeroben anoxygenen phototrophen Proteobakterien (AAPB) konnte eine eindeutige Trennung in phototrophe Alpha-, Beta-, and Gammaproteobakterien gezeigt werden. Dieses steht allerdings im Gegensatz zu allen bisherigen pufLM basierten phylogenetischen Analysen, deutet aber auf eine Eignung von pufLM als phylogenetischer Marker auch für PNSB, AAPB und Chloroflexaceae hin. Des weiteren konnten für die verschiedenen PSB-Gruppen Aminosäure- und Nukleotidsequenz Signaturen aufgezeigt werden, die nutzbringend in der polyphasischen Taxonomie eingesetzt werden konnten und können. Das modifizierte pufLM Primer Paar wurde erfolgreich auf natürliche Gemeinschaften phototropher Purpurbakterien einer Küstenlagune der Ostsee und eines chilenischen Salzees angewendet. Darüberhinaus wurden mittels pufLM durch RFLP und Klonierungsexperimente die Veränderugen in der Gemeinschaftszusammensetzung bei unterschiedlichen Salzgehalten und Temperaturen verfolgt. Die Ostsee Lagune beherbergt eine sehr vielfältige PSB-Gemeinschaft mesophiler, salztoleranter und salzabhängige Chromatiaceae, die mit PNSB und AAPB der Alpha- und Gammaproteobakterien coexistieren. Es konnte gezeigt werden, daß sie besonders gut and die natürlich vorkommenden Salz- und Temperaturschwankungen angepaßt sind. Bei Temperaturen jenseits der 40°C ist die PSB Diversität deutlich geringer und die Gemeinschaftszusammensetzung ändert sich grundlegend. Der Salar de Atacama in Chile repräsentiert ein leicht alkalisches hypersalines Habitat, daß typisch moderat bis extrem halophile PSB der Chromatiaceae und Ectothiorhodospiraceae, gammaproteobakterielle AAPB und eine große neue Gruppe unidentifizierter phototropher Bakterien aufweist. Die Nutzung der funktionellen Gene pufLM als Zielgene förderte eine hohe Diversität von bis jetzt unidentifizierten Bakterien zu Tage. Die Präsens von kultivierten und unkultivierten möglichen neuen Gattungen und Arten deutet auf eine noch nicht erschöpfend entdeckte Diversität von PSB hin.

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Tank, Marcus: Ecological and phylogenetic studies on purple sulfur bacteria based on their pufLM genes of the photosynthetic reaction center. 2010.

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