The effects of the environment on microbial communities investigated using high-throughput sequencing
Microbes in freshwaters drive important ecosystem functions. In the scope of the aquatic food web, bacteria, fungi and microbial eukaryotes maintain organic matter fluxes. In spite of their significance, the effects of the environment on distribution, diversity and functions of microbes are insufficiently conceived. Ecosystems are impacted by anthropogenic disturbances, that permanently expose ecosystems to various stressors. In particular streams are prone to an accumulation of stressors by their flow through differently used catchment areas. The effects on the functional hotspots in streams, the biofilms and its inhabiting microbial taxa are poorly
understood. Nowadays, analyses on microbes from metacommunities rely on high-throughput sequencing technologies. However, as each approach owns its distinct advantages and limitations the ecological meaning of results from such studies needs to be carefully questioned.
In a pan-European study we analyzed samples of 255 lakes for the distribution of taxa affiliated to two major freshwater bacterial genera, Polynucleobacter and Limnohabitans. We showed that among environmental parameters divided into three groups, i.e. physico-chemistry, presence of microeukaryotes and geographic position, the former had the greatest power to explain the distribution of these bacteria. Analyses of distribution patterns along environmental gradients revealed so far unknown ecological diversification within specific Limnohabitans and Polynuclebacter subclusters. We found a pronounced diversity of Polynucleobacter taxa in Scandinavia that were attributable to region-specific factors. The composition of microbial eukaryotes only explained a minor fraction of the variation among bacterial communities in
this study. However, Polynucleobacter and Limnohabitans strains modulated the growth of heterotrophic nanoflagellates as revealed in experiments using CARD-FISH for detection of both the bacterial prey and the eukaryotic predators. We identified Cryptophyta as so far unrecognized major bacterivores exhibiting distinct growth responses on specific Limnohabitans strains.
Further, a strong influence of seasonal factors was suggested for the dominance of different major bacterivores. In another study, the effects of physico-chemical changes as stressors, i.e., drought, secondary salinization and erosion caused by human activity revealed stress responses of fungi and protists from rock biofilms. Interestingly, a combination of stressors did not lead to an addition of their effects but to an antagonistic stress response in the protistan rock biofilms.
Bacteria unexpectedly revealed no response patterns. The final study of this thesis, a comparison of three different datasets generated from amplicons, metagenomes and metatranscriptomes, revealed drastic differences between the obtained community compositions. Redundancy analyses and Mantel tests revealed that incorporating physico-chemical variables best explained
variations in metatranscriptomes and metagenomes, suggesting that a combination of these two methods is suitable for assessing activity and community composition in freshwater ecosystems.
understood. Nowadays, analyses on microbes from metacommunities rely on high-throughput sequencing technologies. However, as each approach owns its distinct advantages and limitations the ecological meaning of results from such studies needs to be carefully questioned.
In a pan-European study we analyzed samples of 255 lakes for the distribution of taxa affiliated to two major freshwater bacterial genera, Polynucleobacter and Limnohabitans. We showed that among environmental parameters divided into three groups, i.e. physico-chemistry, presence of microeukaryotes and geographic position, the former had the greatest power to explain the distribution of these bacteria. Analyses of distribution patterns along environmental gradients revealed so far unknown ecological diversification within specific Limnohabitans and Polynuclebacter subclusters. We found a pronounced diversity of Polynucleobacter taxa in Scandinavia that were attributable to region-specific factors. The composition of microbial eukaryotes only explained a minor fraction of the variation among bacterial communities in
this study. However, Polynucleobacter and Limnohabitans strains modulated the growth of heterotrophic nanoflagellates as revealed in experiments using CARD-FISH for detection of both the bacterial prey and the eukaryotic predators. We identified Cryptophyta as so far unrecognized major bacterivores exhibiting distinct growth responses on specific Limnohabitans strains.
Further, a strong influence of seasonal factors was suggested for the dominance of different major bacterivores. In another study, the effects of physico-chemical changes as stressors, i.e., drought, secondary salinization and erosion caused by human activity revealed stress responses of fungi and protists from rock biofilms. Interestingly, a combination of stressors did not lead to an addition of their effects but to an antagonistic stress response in the protistan rock biofilms.
Bacteria unexpectedly revealed no response patterns. The final study of this thesis, a comparison of three different datasets generated from amplicons, metagenomes and metatranscriptomes, revealed drastic differences between the obtained community compositions. Redundancy analyses and Mantel tests revealed that incorporating physico-chemical variables best explained
variations in metatranscriptomes and metagenomes, suggesting that a combination of these two methods is suitable for assessing activity and community composition in freshwater ecosystems.
Mikroorganismen tragen zu wichtigen Funktionen in unseren Ökosystemen bei. Innerhalb der Ökosysteme halten Bakterien, Pilze und mikrobielle Eukaryoten den Fluss von Kohlenstoff in den Nahrungsnetzen aufrecht. Trotz ihrer großen Bedeutung ist es noch nicht ausreichend verstanden, wie die Verbreitung, die Diversität und die Funktionen der Mikroorganismen von
der Umwelt beeinflusst werden. Unsere Ökosysteme sind den erschiedensten Störeinflüssen ausgesetzt, die durch anthropogene Stressoren ausgelöst werden. Insbesondere Flüsse neigen zur Akkumulation von Stressoren, durch ihren Verlauf durch die in verschiedenster Weise genutzter Einzugsgebiete. Wie diese Stressoren auf die funktionellen Hotspots in Flüssen, den mikrobiellen Biofilmen, wirken, ist kaum untersucht. Untersuchungen von Mikroorganismen aus solchen Metagemeinschaften werden heutzutage mit Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien
durchgeführt. Jedoch besitzt jede Methode ihre spezifischen Vor,- und Nachteile, was darauf hindeutet, dass ökologische Schlussfolgerungen solcher Studien sorgfältig abgewogen werden sollten.
Im Rahmen einer europaweiten Studie wurden 255 Seen auf die Verteilung von Polynucleobacter und Limnohabitans analysiert, die zu den zwei bedeutendsten Süßwasser Bakteriengattungen gehören. Wir konnten in dieser Studie zeigen, dass physikochemische Faktoren am meisten
zur Erklärung der Bakterienverteilung beitrugen im Vergleich zu den anderen Umweltfaktoren, Vorkommen von mikrobiellen Eukaryoten, sowie geographische Position. Analysen von Verteilungsmustern entlang von Umweltgradienten ergaben eine bisher unentdeckte ökologische Diversifikation innerhalb bestimmter Limnohabitans und PolynucleobacterSubcluster. Ebenfallshaben wir eine ausgeprägte Diversität von Polynucleobacter taxa in Skandinavien entdeckt, die auf regionale Faktoren zurückzuführen ist. Die Zusammensetzung von mikrobiellen Eukaryoten hat nur einen geringen Teil der Variation innerhalb der untersuchten Bakteriengemeinschaft in dieser Studie erklären können.
Jedoch konnte in Experimenten zur Detektion von bakterieller Beute und eukaryotischen Prädatoren mithilfe von CARD-FISH gezeigt werden, dass bestimmte Stämme von Polynucleobacter und Limnohabitans zur Modulierung des Wachstums von heterotrophen Nanoflagellaten beitrugen.
Wir haben die bisher als Räuber unberücksichtigten Cryptophyta als wichtige Prädatoren von Bakterien identifiziert, die auf bestimmte Limnohabitans-Stämme mit einer erhöhten Wachstumsrate reagierten. Die unterschiedliche Dominanz von bestimmten Bakterivoren wurde mit saisonalen Veränderungen in Verbindung gebracht. In einer weiteren Studie wurde die Stressantwort von Pilzen, Protisten und Bakterien in auf steinwachsenden Bach-Biofilmen
auf physikochemische Veränderungen, die durch menschliches Handeln hervorgerufen werden, wie Austrocknung, sekundäre Versalzung und Erosion untersucht. Interessanterweise hat die Kombination von verschiedenen Stressoren nicht zu einer Zunahme des Stressor Effektes geführt, sondern zu einer antagonistischen Stressantwort der Protisten der Biofilmgemeinschaft.
Bakterien jedoch zeigten keine Reaktion auf die Stressoren.
In der letzten Studie innerhalb dieser Arbeit wurden drei unterschiedliche Datensätze aus Amplikon,- Metagenom,- und Metatranskriptomdaten erstellt, und miteinander verglichen. Die Analysen zeigten, dass die aus den Daten entnommene Organismengemeinschaft drastische Unterschiede aufwies. Redundanzanalysen und Mantel Teststatistiken mit physikochemischen
Daten zeigten, dass die genutzten Daten die Variation in den Metatranskriptom,- und Metagenomdaten am besten erklären konnten. Dieses Ergebnis legt nahe, dass eine Kombination der beiden genannten Methoden bestens geeignet ist, um die Aktivität und Komposition von Gemeinschaften in Süßwasserökosystemen zu untersuchen.
der Umwelt beeinflusst werden. Unsere Ökosysteme sind den erschiedensten Störeinflüssen ausgesetzt, die durch anthropogene Stressoren ausgelöst werden. Insbesondere Flüsse neigen zur Akkumulation von Stressoren, durch ihren Verlauf durch die in verschiedenster Weise genutzter Einzugsgebiete. Wie diese Stressoren auf die funktionellen Hotspots in Flüssen, den mikrobiellen Biofilmen, wirken, ist kaum untersucht. Untersuchungen von Mikroorganismen aus solchen Metagemeinschaften werden heutzutage mit Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien
durchgeführt. Jedoch besitzt jede Methode ihre spezifischen Vor,- und Nachteile, was darauf hindeutet, dass ökologische Schlussfolgerungen solcher Studien sorgfältig abgewogen werden sollten.
Im Rahmen einer europaweiten Studie wurden 255 Seen auf die Verteilung von Polynucleobacter und Limnohabitans analysiert, die zu den zwei bedeutendsten Süßwasser Bakteriengattungen gehören. Wir konnten in dieser Studie zeigen, dass physikochemische Faktoren am meisten
zur Erklärung der Bakterienverteilung beitrugen im Vergleich zu den anderen Umweltfaktoren, Vorkommen von mikrobiellen Eukaryoten, sowie geographische Position. Analysen von Verteilungsmustern entlang von Umweltgradienten ergaben eine bisher unentdeckte ökologische Diversifikation innerhalb bestimmter Limnohabitans und PolynucleobacterSubcluster. Ebenfallshaben wir eine ausgeprägte Diversität von Polynucleobacter taxa in Skandinavien entdeckt, die auf regionale Faktoren zurückzuführen ist. Die Zusammensetzung von mikrobiellen Eukaryoten hat nur einen geringen Teil der Variation innerhalb der untersuchten Bakteriengemeinschaft in dieser Studie erklären können.
Jedoch konnte in Experimenten zur Detektion von bakterieller Beute und eukaryotischen Prädatoren mithilfe von CARD-FISH gezeigt werden, dass bestimmte Stämme von Polynucleobacter und Limnohabitans zur Modulierung des Wachstums von heterotrophen Nanoflagellaten beitrugen.
Wir haben die bisher als Räuber unberücksichtigten Cryptophyta als wichtige Prädatoren von Bakterien identifiziert, die auf bestimmte Limnohabitans-Stämme mit einer erhöhten Wachstumsrate reagierten. Die unterschiedliche Dominanz von bestimmten Bakterivoren wurde mit saisonalen Veränderungen in Verbindung gebracht. In einer weiteren Studie wurde die Stressantwort von Pilzen, Protisten und Bakterien in auf steinwachsenden Bach-Biofilmen
auf physikochemische Veränderungen, die durch menschliches Handeln hervorgerufen werden, wie Austrocknung, sekundäre Versalzung und Erosion untersucht. Interessanterweise hat die Kombination von verschiedenen Stressoren nicht zu einer Zunahme des Stressor Effektes geführt, sondern zu einer antagonistischen Stressantwort der Protisten der Biofilmgemeinschaft.
Bakterien jedoch zeigten keine Reaktion auf die Stressoren.
In der letzten Studie innerhalb dieser Arbeit wurden drei unterschiedliche Datensätze aus Amplikon,- Metagenom,- und Metatranskriptomdaten erstellt, und miteinander verglichen. Die Analysen zeigten, dass die aus den Daten entnommene Organismengemeinschaft drastische Unterschiede aufwies. Redundanzanalysen und Mantel Teststatistiken mit physikochemischen
Daten zeigten, dass die genutzten Daten die Variation in den Metatranskriptom,- und Metagenomdaten am besten erklären konnten. Dieses Ergebnis legt nahe, dass eine Kombination der beiden genannten Methoden bestens geeignet ist, um die Aktivität und Komposition von Gemeinschaften in Süßwasserökosystemen zu untersuchen.
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