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Linking protistan community shifts along salinity gradients with cellular haloadaptation strategies

  • Salinity is one of the most structuring environmental factors for microeukaryotic communities. Using eDNA barcoding, I detected significant shifts in microeukaryotic community compositions occurring at distinct salinities between brackish and marine conditions in the Baltic Sea. I, furthermore, conducted a metadata analysis including my and other marine and hypersaline community sequence data to confirm the existence of salinity-related transition boundaries and significant changes in alpha diversity patterns along a brackish to hypersaline gradient. One hypothesis for the formation of salinity-dependent transition boundaries between brackish to hypersaline conditions is the use of different cellular haloadaptation strategies. To test this hypothesis, I conducted metatranscriptome analyses of microeukaryotic communities along a pronounced salinity gradient (40 – 380 ‰). Clustering of functional transcripts revealed differences in metabolic properties and metabolic capacities between microeukaryotic communities at specific salinities, corresponding to the transition boundaries already observed in the taxonomic eDNA barcoding approach. In specific, microeukaryotic communities thriving at mid-hypersaline conditions (≤ 150 ‰) seem to predominantly apply the ‘low-salt – organic-solutes-in’ strategy by accumulating compatible solutes to counteract osmotic stress. Indications were found for both the intracellular synthesis of compatible solutes as well as for cellular transport systems. In contrast, communities of extreme-hypersaline habitats (≥ 200 ‰) may preferentially use the ‘high-salt-in’ strategy, i. e. the intracellular accumulation of inorganic ions in high concentrations, which is implied by the increased expression of Mg2+, K+, Cl- transporters and channels. In order to characterize the ‘low-salt – organic-solutes-in’ strategy applied by protists in more detail, I conducted a time-resolved transcriptome analysis of the heterotrophic ciliate Schmidingerothrix salinarum serving as model organism. S. salinarum was thus subjected to a salt-up shock to investigate the intracellular response to osmotic stress by shifts of gene expression. After increasing the external salinity, an increased expression of two-component signal transduction systems and MAPK cascades was observed. In an early reaction, the expression of transport mechanisms for K+, Cl- and Ca2+ increased, which may enhance the capacity of K+, Cl- and Ca2+ in the cytoplasm to compensate possibly harmful Na+ influx. Expression of enzymes for the synthesis of possible compatible solutes, starting with glycine betaine, followed by ectoine and later proline, could imply that the inorganic ions K+, Cl- and Ca2+ are gradually replaced by the synthesized compatible solutes. Additionally, expressed transporters for choline (precursor of glycine betaine) and proline could indicate an intracellular accumulation of compatible solutes to balance the external salinity. During this accumulation, the up-regulated ion export mechanisms may increase the capacity for Na+ expulsion from the cytoplasm and ion compartmentalization between cell organelles seem to happen. The results of my PhD project revealed first evidence at molecular level for the salinity-dependent use of different haloadaptation strategies in microeukaryotes and significantly extend existing knowledge about haloadaptation processes in ciliates. The results provide ground for future research, such as (comparative) transcriptome analysis of ciliates thriving in extreme-hypersaline habitats or experiments like qRT-PCR to validate transcriptome results.
  • Der Salzgehalt ist einer der am stärksten strukturierenden Umweltfaktoren für mikroeukaryotische Lebensgemeinschaften. Mittels eDNA-Barcoding konnte ich in der Ostsee signifikante Verschiebungen in den mikroeukaryotischen Gemeinschaftszusammensetzungen bei unterschiedlichen Salinitäten zwischen brackigen und marinen Bedingungen aufdecken. Außerdem führte ich eine Metadatenanalyse durch, die neben meinen auch andere Sequenzdaten aus marinen und hypersalinen Gemeinschaften beinhaltete, um die Existenz von salinitätsbedingten Übergangsgrenzen und signifikanten Veränderungen in den Alpha-Diversitätsmustern entlang eines brackigen bis hypersalinen Gradienten zu bestätigen. Eine mögliche Erklärung für die salinitätsabhängigen Übergangsgrenzen ist die Verwendung verschiedener zellulärer Salzanpassungsstrategien. Um diese Hypothese zu testen, habe ich Metatranskriptomanalysen von mikroeukaryotischen Gemeinschaften entlang eines ausgeprägten Salinitätsgradienten (40 - 380 ‰) durchgeführt. Die Gruppierung funktioneller Transkripte zeigte Unterschiede in den metabolischen Eigenschaften und Stoffwechselkapazitäten zwischen mikroeukaryotischen Gemeinschaften aus bestimmten Salinitäten, die den Übergangsgrenzen aus dem taxonomischen eDNA-Barcoding entsprechen. Insbesondere mikroeukaryotische Gemeinschaften aus mittel-hypersalinen Bedingungen (≤ 150 ‰) scheinen dem osmotischem Stress entgegenzuwirken in dem sie überwiegend die "Low-Salt - Organic-Solutes-in" Strategie durch Anreicherung kompatibler Solute verwenden. Hinweise wurden sowohl für die intrazelluläre Synthese von kompatiblen Soluten als auch für zelluläre Transportsysteme gefunden. Im Gegensatz dazu scheinen Gemeinschaften aus extrem-hypersalinen Lebensräumen (≥ 200 ‰) eher die "High-Salt-in" Strategie zu nutzen (intrazelluläre Anreicherung anorganischer Ionen in hohen Konzentrationen), was durch die erhöhte Expression von Mg2+, K+, Cl- -Ionentransporter und -Kanäle impliziert wird. Zu einer genaueren Charakterisierung der von Protisten genutzten "Low-Salt - Organic-Solutes-in" Strategie, habe ich eine zeitaufgelöste Transkriptomanalyse des heterotrophen Ciliaten Schmidingerothrix salinarum durchgeführt. Hierzu wurde S. salinarum einem Salzschock ausgesetzt und anschließend anhand Gen-Expressionsveränderungen die intrazelluläre Reaktion auf osmotischen Stress untersucht. Nach Erhöhung des externen Salzgehalts wurde eine erhöhte Expression von Zweikomponenten-Signaltransduktionssysteme und MAPK-Kaskaden festgestellt. Zuerst werden vermehrt Transportmechanismen für K+, Cl- und Ca2+-Ionen exprimiert, die eventuell für eine erhöhte Kapazität von K+, Cl- und Ca2+-Ionen im Zytoplasma sorgen um möglicherweise einem schädlichen Na+-Einstrom entgegenzuwirken. Die nachfolgende Enzymexpression für die Synthese möglicher kompatibler Solute, beginnend mit Glycinbetain, gefolgt von Ectoin und später Prolin, könnte implizieren, dass die anorganischen Ionen K+, Cl- und Ca2+ im Zytoplasma schrittweise durch synthetisierten kompatiblen Solute ersetzt werden. Zusätzlich exprimierte Transporter für Cholin (Vorläufer von Glycinbetain) und Prolin könnten neben der Synthese für eine intrazelluläre Akkumulierung von kompatiblen Soluten sprechen, um den externen Salzgehalt auszugleichen. Während dieser Akkumulation könnten die hochregulierten Ionen-Exportmechanismen für eine erhöhte Na+-Auschlusskapazität aus dem Zytoplasma sorgen, wodurch sich eine Ionen-Kompartimentierung zwischen den Zellorganellen andeuten würde. Die Ergebnisse meiner Dissertation lieferten erstmalig Hinweise auf molekularer Ebene für die salzabhängige Nutzung verschiedener Haloadaptionsstrategien in Mikroeukaryoten und erweiterten das vorhandene Wissen über Haloadaptationsprozesse bei Ciliaten erheblich. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für zukünftige Forschungen, wie z. B. Experimente (qRT-PCR) zur Validierung von Transkriptomergebnissen oder (vergleichende) Transkriptomanalysen von Ciliaten, die in extrem-hypersalinen Lebensräumen gedeihen.

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Metadaten
Author:Steffen Kühner
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-56639
Advisor:Sabine Filker
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Publication Date:2019/07/03
Year of Publication:2019
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2019/07/01
Date of the Publication (Server):2019/07/04
Number of page:196
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Biologie
DDC-Cassification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften, Biologie
MSC-Classification (mathematics):92-XX BIOLOGY AND OTHER NATURAL SCIENCES
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)