Samenvatting De bestudering van bacterie

samenvatting
Samenvatting
De bestudering van bacterie-schimmel interacties is essentieel voor een
beter begrip van de terretrische microbiële ecologie, en kan aan de basis
liggen van nieuwe toepassingen voor de landbouw, de voedingindustrie en
geneeskunde. Desalnietemin zijn zowel de stimuli, de genetische
determinanten als de onderliggende mechanismen van bacterie-schimmel
interacties nog steeds nauwelijks gekend. Bacteriële mycofagie is een
trofisch gedrag dat plaatsvindt als bacteriën voedingsstoffen onttrekken aan
levende schimmelhyfen, waarbij biomassa van de levende schimmel wordt
omgezet in bacteriële biomassa (29). Dit trofisch gedrag is voor het eerst
aangetoond bij het bacteriële genus Collimonas, waarbij de bacteriën in een
bodem microcosmexperiment in staat bleken te kunnen groeien ten koste
van levende schimmels (28, 30). In deze thesis worden de volgende
onderzoeksvragen gesteld: (1) Welke van de mechansismen mogelijks
betrokken bij Collimonas mycofagie worden geactiveerd tijdens de
interactie van Collimonas met een schimmel? (2) Wat is de reactie van de
schimmel op de aanwezigheid van de Collimonas bacteriën? (3) Welke rol
speelt het pTer331 plasmide, aangetoond in het genoom van de mycofage
bacterie C. fungivorans Ter331, in de ecologie van deze bacterie en zijn de
genen van het pTer331 plasmide betrokken bij mycofagie? (4) Zijn de
potentiële determinanten voor mycofagie uniform verspreid over alle
Collimonas soorten?
Het modelorganisme C. fungivorus Ter331 vertoont een antagonistische
interactie tegenover de schimmel Aspergillus niger. Wanneer beide
organsimen in vitro met elkaar geconfronteerd worden is de schimmelgroei
geremd, en wordt groei van de bacteriële biomassa in de vorm van slijm op
de petrischaal waargenomen. Voor een beter mechanistisch begrip van het
antagonisme van de Collimonas bacteriën tegenover schimmels, de
betrokkenheid van het mycofage fenotype en de reactie van de schimmel op
de aanwezigheid van Collimonas, werd bacterie- en schimmel-RNA op twee
tijdspunten gedurende de interactie geïsoleerd en vervolgens analyseerd met
behulp van microarrays. Het experiment leverde een lijst op van genetische
determinanten die geactiveerd werden in beide organismen ten gevolge van
179
samenvatting
hun interactie. De aanwezigheid van de schimmel stimuleerde de expressie
van verscheidene bacteriële genen, waaronder genen betrokken bij
beweeglijkheid, synthese van exopolysacchariden en potentieel
antimicrobiële agentia. Bovendien activeerde de aanwezigheid van de
schimmel genen betrokken bij de consumptie van substraten afkomstig van
schimmels, wat er op duidt dat de productie van het bacteriële slijm, dat
wordt waargenomen op de petrischalen, gevormd is door een conversie van
schimmelbiomassa in bacteriële biomassa. Hoewel het verband tussen
mycofagie en antischimmelactiviteit nog niet is opgehelderd, ondersteunen
deze bevindingen het bestaan van een gemeenschappelijke factor tussen
antischimmelactiviteit en mycofagie. In de schimmel werden
transcriptionele veranderingen waargenomen bij genen betrokken bij vet- en
celwandmetabolisme en celdefensie. Dit resultaat correleert goed met de
microscopisch waargenomen misvormingen van de hyfes. De
transcriptionele profielen vertonen bij beide partners signalen van stress,
wat erop wijst dat de interactie tussen Collimonas en Aspergillus
gekarakteriseerd wordt door een complexe wisselwerking van trofie,
antibiose en competitie voor nutriënten. Deze bevinding zou kunnen wijzen
op de mogelijkheid dat de specifiek in dit experiment gebruikte bacterieschimmel interactie Collimonas niet toelaat om zijn mycofage
determinanten ten volle tot expressie te brengen. Toekomstige experimenten
waarbij Collimonas met andere schimmelsoorten wordt geconfronteerd zal
ons inzicht in de genetische determinanten van mycofagie vergroten
(Hoofdstuk 2).
Plasmide pTer331 werd geïsoleerd uit zijn natuurlijke gastheer C.
fungivorans Ter331. De functie van dit plasmide voor de ecologie van de
bacterie en in het bijzonder zijn mycofage fenotype werd onderzocht door
het bestuderen van de coderende capaciteit en verspreiding van het plasmide
onder de Collimonas stammen, die aanwezig zijn in onze collectie.
Sequentie annotatie van pTer331 leverde 44 potentiële genen op die
hoofdzakelijk betrokken zijn bij de replicatie, verdeling en transfer van het
plasmide. Dit suggereert dat pTer331 een cryptisch plasmide is dat geen
duidelijke fenotypische kenmerken aan zijn gastheer verleent. De
180
samenvatting
onmogelijkheid tot het detecteren van het pTer331 plasmide bij andere
stammen dan C. fungivorans Ter331 wees erop dat het plasmide geen rol
speelt bij gemeenschappelijke kenmerken van alle Collimonas stammen,
waaronder antischimmelactiviteit en mycofagie, verwering en chitine
afbraak. De hypothese dat pTer331 een selectief voordeel voor de
kolonisatie van de plantenrhizosfeer kan opleveren werd onderzocht door
het verkrijgen van een plasmidevrije stam en het vergelijken van de
prestaties van deze stam met die van het wild type bij het koloniseren van de
rhizosfeer van tomatenplanten. Het plasmide leverde geen significante
bijdrage aan de competentie van C. fungivorans Ter331 tot het groeien in de
rhizosfeer. De aanwezigheid op het plasmide van een hot-spot voor insertie
van bijkomende genetische modules suggereert dat dit cryptisch plasmide
mogelijk incidenteel genen verwerft die nuttig zijn voor de
gastheeroverleving, en daardoor zijn eigen voortbestaan en verspreiding
binnen de bacteriële populatie versterkt. Het bestaan van pTer331-verwante
plasmiden die bijkomende genen bevatten die voordelig zijn voor de
gastheer ondersteunt de hypothese dat het pTer331-plasmide mogelijks een
minimale plasmidevorm is dat in sommige omstandigheden bijkomende
genen verwerft (Hoofdstuk 3).
Collimonas is een genus van bodembacteriën dat drie erkende soorten bevat:
C. fungivorans, C. pratensis en C. arenae. De bacteriën behorend tot dit
genus hebben allen de mogelijkheid tot het afbreken van chitine en het zich
voeden op levende schimmelhyfae (mycofagie), maar ze verschillen in hun
koloniemorfologie, fysiologische eigenschappen en antischimmelactiviteit.
Vergelijkende genomische hybridisatie op microarrays werd gebruikt om
inzicht te verwerven in de genetische achtergrond van de fenotypische
variabiliteit van de collimonads. Met behulp van microarray technologie
werd de genomische inhoud van de referentiestam C. fungivorans Ter331
vergeleken met die van 4 stammen representatief voor de drie Collimonas
soorten. Zowel een set van sterk geconserveerde als sterk variabele genen
werd geïdentificeerd, wat een lijst opleverde van kandidaat genen
onderliggend aan de gemeenschappelijke en variabele kenmerken van de
Collimonas bacteriën. Hoewel mycofagie een karakteristiek kenmerk is van
181
samenvatting
alle Collimonas stammen, vertoonden verscheidene genetische
determinanten, die betrokken zijn bij bacteriële mycofagie een
onregelmatige verdeling onder de geannalyseerde stammen. Deze
determinanten betroffen het bezit van beweeglijkheid, secretie van
bioactieve componenten en de mogelijkheid om op van schimmels
afkomstige substraten te groeien. Deze bevinding suggereert dat sommige
genetische determinanten, die potentieel betrokken zijn bij mycofagy in C.
fungivorans Ter331, mogelijk afwezig zijn in andere stammen, maar dat
deze stammen waarschijnlijk andere determinanten voor mycofagie
bezitten. Een steeds groter wordende reeks argumenten wijst erop dat
verscheidene genen en genfuncties additioneel bijdragen aan het mycofaag
gedrag, en dat geen enkele van deze genetische determinanten alleen strict
noodzakelijk is voor mycofagie. Onze hypothese is dat het bezit van een
verschillende collectie van deze genetische determinanten aan de basis ligt
van de specialisatie van de Collimonas stammen voor bepaalde
schimmelgastheren (Hoofdstuk 4).
De resultaten verkregen in dit onderzoek leveren een bijdrage aan ons
inzicht betreffende de interacties tussen bacteriën en schimmels; een
onderwerp dat ondanks zijn potentieel belangrijke toepassingen in
natuurbeheer, landbouw en geneeskunde relatief verwaarloosd is.
182