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Molekular-ökologische und genomische Studien zur Charakterisierung von nicht-kultivierten Archaea und Acidobacteria

Ochsenreiter, Torsten :
Molekular-ökologische und genomische Studien zur Charakterisierung von nicht-kultivierten Archaea und Acidobacteria.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Inhaltsangabe, Zusammenfassung und Einleitung - PDF
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Ergebnisse I - PDF
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Ergebnisse II, Diskussion, Material und Methoden, Literatur, Anhang - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Molekular-ökologische und genomische Studien zur Charakterisierung von nicht-kultivierten Archaea und Acidobacteria
Language: German
Abstract:

Molekular-ökologische Studien der letzten Jahre haben aufgezeigt, dass der weitaus größte Teil der Mikroorganismen, sogar über 99%, bis heute nicht charakterisiert wurde. Es wurden neue Phyla der Archaea und Bacteria entdeckt, deren ökologische Bedeutung noch völlig ungeklärt ist, weil keine dieser Organismen bisher kultiviert werden konnten. In den letzten Jahren wurden so auch in der Domäne der Archaea neue phylogenetische Gruppen, von bis jetzt nicht-kultivierten Crenarchaeota identifiziert, die aus moderaten, marinen und terrestrischen Habitaten stammten. Alle bislang kultivierten Vertreter dieses Phylums sind dagegen extrem Thermophile. Um einen umfassenden Überblick über die Verteilung und Diversität von nichtthermophilen Crenarchaeota in moderaten Habitaten zu gewinnen, wurden in der vorliegenden Arbeit 13 unterschiedliche terrestrische und aquatische Habitate mittels 16S rDNA-basierter Methoden untersucht. In sechs verschiedenen Bodenproben wurde jeweils nur eine bestimmte Gruppe von Crenarchaeota nachgewiesen, im Gegensatz dazu war die Diversität der Cren-archaeota in Süßwasserhabitaten deutlich größer. Mit spezifischen Oligonukleotiden für nicht-thermophile Crenarchaeota wurde eine Methode etabliert, um 16S rRNA-Gene in einer Umweltprobe mittles real time PCR zu quantifizieren. Die relative Abundanz von Crenarchaeota im Boden des Sandökosystems am Rotböhl (ROB) wurde über diese Methode mit 0,5% bestimmt. In der Rhizosphäre des gleichen Habitats und in einem benachbarten landwirtschaftlich genutzten Boden stellten die Crenarchaeota 0,16% der gesamtprokaryotischen 16S rRNA Gene. Diese Daten zeigten, dass nicht-thermophile Crenarchaeota eine wenig diverse, aber stabile Population der Mikrobiota in verschiedenen Bodenhabitaten stellen. Neben den nicht-thermophilen Crenarchaeota wurde auch die Diversität und Abundanz von Acidobacteria, einer dominanten Bacteria Gruppe, die bislang kaum charakterisiert ist, untersucht. Acidobacteria wurden als neues Phylum der Bacteria erst im Zuge der molekular-ökologischen Studien der letzten Jahre etabliert. In ihrer phylogenetischen Breite sind sie vergleichbar mit den sehr gut charakterisierten Proteobacteria. In den hier durchgeführten quantitativen Studien wurden Acidobacteria der Gruppe V mit 8% als eine der dominanten Gruppen im Boden des Sandökosystems am Rotböhl nachgewiesen. Im benachbarten, landwirtschaftlich genutzten Boden stellten sie sogar 37% der bakteriellen Population. Aus einer komplexen Genbank, die genomische Fragmente der mikrobiellen Population des Sandökosystems enthielt, wurden sechs DNA-Fragmente mit insgesamt 210 kb analysiert. Diese Analyse bestätigte die postulierte große Diversität und Kohärenz der Acidobacteria. Insbesondere ein 22 kb großer, colinearer Bereich zwischen zwei Genomfragmenten mit einem hypothetischen Purin- Biosyntheseoperon wurde näher charakterisiert. Es konnte eine Hypothese über die Verwandtschaftsbeziehung von Acidobacteria, Firmicutes und Proteobacteria abgeleitet werden. Diese Analysen stellen die ersten genomischen Informationen über Acidobacteria dar, einer Gruppe die äußerst abundant und ubiquitär in Böden vertreten ist, aber bislang noch völlig uncharakterisiert blieb.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Many molecular ecological studies of the past decade have shown that the largest portion of the microbial biodiversity, even more than 99 %, has not been cultured and characterized today. I studied the diversity and abundance of microorganisms in different environments, focussing on two groups, the Archaea and the Acidobacteria. By amplifying 16S rDNA genes directly from environmental samples novel groups of Archaea were uncovered from moderate marine and terrestrial habitats that phylogenetically belong to the Crenarchaeota. This was very surprising as all known cultivated Crenarchaeota are hyperthermophilic organisms. Similarly the Acidobacteria were shown to make up a significant part of the bacterial population especially in soil habitats. Moreover, they were defined as a novel bacterial phylum which consists of more than 300 16S rDNA sequences but only 3 cultivated species. I applied molecular phylogenetic tools and real time PCR methods in order to study the diversity and the abundance of uncultured Archaea and Acidobacteria from different habitats. Furthermore an environmental genomic approach was initiated in order to gain insights into genome structure, evolution and physiological potential of the uncultured Acidobacteria. I have studied 21 different terrestrial freshwater and hypersaline habitats by 16S rDNA-based phylogenetic surveys using Archaea-specific oligonucleotides. In 7 different soil samples of diverse geographic areas in Europe (forest, grassland, ruderal) and Asia (permafrost, ruderal) as well as in two microbial mats and one hypersaline habitate, one particular lineage of crenarchaeota was consistently found (Ochsenreiter et a.l 2002, Ochsenreiter et al. 2003). I established a real time PCR method to quantify the amount of non-thermophilic Crenarchaeota and Acidobacteria 16S rDNA genes in environmental samples. The relative abundance of non-thermophilic Crenarchaeota in soil from the sandy ecosystem “Rotböhl” was determined to be 0,5 to 3%. In the rhizosphere of the same habitat and a nearby agricultural soil the non-thermophilic Crenarchaeota accounted for only 0,16 % of the total 16S rRNA genes (Ochsenreiter et al. 2003). The results of the qualitative and quantitative survey showed that non-thermophilic Crenarchaeota form a stable population of low diversity of the micro biota in different soil habitats. Similar quantitative studies indicated that Acidobacteria of the group V made up 8 % of the bacterial population in the sandy ecosystem and almost 40 % in the nearby agricultural soil. Using an environmental genomic approach large fragments of acidobacterial DNA were identified in fosmid libraries with specific 16S rDNA probes (Quaiser et al 2002, Quaiser et al 2003). Sequence analyses of six independently identified clones were performed, representing in total more than 210,000 bp (Quaiser et al, 2003). The results of this study led to the first genomic information on Acidobacteria and confirmed the predicted diversity and coherence of this group. Additionally, the phylogenetic analysis of putative proteins from the genomic fragments was used to hypothesize a relationship between Acidobacteria, Firmicutes and Proteobacteria.English
Uncontrolled Keywords: molekulare Ökologie, Archaea, Acidobacteria, realtime PCR, Phylogenie, 16S-rRNA
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
molekulare Ökologie, Archaea, Acidobacteria, realtime PCR, Phylogenie, 16S-rRNAGerman
Molecular ecology, Archaea, Acidobacteria, metagenome, environmental genomics, phylogeny, 16S-rRNAEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000364
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3646
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Pfeifer, Prof Felicitas and Goeringer, Prof H. Ulrich
Advisors: Schleper, Dr. Christa
Refereed: 14 February 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/364
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