Experimentelle und bioinformatische Analyse der aeroben anoxygenen Photosynthese in dem photoheterotrophen Meeresbakterium Dinoroseobacter shibae DFL12

Tomasch, Jürgen, Martin

doi:10.24355/dbbs.084-201206251223-0

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Experimentelle und bioinformatische Analyse der aeroben anoxygenen Photosynthese in dem photoheterotrophen Meeresbakterium Dinoroseobacter shibae DFL12

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Bakterielle aerobe anoxygene Photosynthese (AAP) ist ein bedeutenter Mechanismus zur Energiegewinnung in marinen Habitaten. Sie trägt bis zu 5% zum photosynthetischen Elektronentransport an der Oberfläche der Ozeane bei. In dieser Arbeit wurde Dinoroseobacter shibae, ein Vertreter der global verbreiteten marinen Roseobacter-Gruppe genutzt um die Antwort des Transkriptoms auf eine Veränderung der Lichtverhältnisse zu untersuchen. Hierfür wurde kontinuierliche Kultivierung im Chemostat in Kombination mit Zeit-aufgelöster Microarray-Analyse genutzt um Muster der Genregulation bei einem Wechsel von Dunkel zu Licht und umgekehrt zu identifizieren. Der Wechsel von heterotrophen Wachstum im Dunkeln zu photoheterotrophem Wachstum im Licht war durch eine transiente aber sehr starke Aktivierung der Stress-Antwort, eine sofortige Reprimierung von Photosynthese-Gene, Feineinstellung der Elektronen-Transportkette und aktivierung der Transkriptions- und Translations-Maschinerie gekennzeichnet. Darüber hinaus lassen die Daten vermuten, dass D. shibae den 3-Hydroxypropionat-Weg zur Fixierung von CO2 nutzt. Die Analyse der Transkriptom-Dynamik nach einem Wechsel von Licht zu Dunkel zeigte relativ wenige Änderungen sowie eine verzögerte Aktivierung der Photosyntheses Gene. Letzeres lässt darauf sschließen, dass neben Licht auch andere Signale an der Kontrolle dieser Gene beteiligt sein müssen. Diese Arbeit stellt die erste Untersuchung der aeroben anoxygenen Photosynthese auf Ebene der Transkriptom-Dynamik dar und erlaubt die Formulierung testbarer Hypothesesn über die zellulären Prozesse die durch AAP beeinflusst werden sowie über die Licht- und Stress-abhängige Genregulation.

Bacterial aerobic anoxygenic photosynthesis (AAP) is an important mechanism of energy generation in aquatic habitats, accounting for up to 5% of the surface ocean's photosynthetic electron transport. In this work Dinoroseobacter shibae, a representative of the globally abundant marine Roseobacter clade, was used as a model organism to study the transcriptional response of a photoheterotrophic bacterium to changing light regimes. Continuous cultivation of D. shibae in a chemostat in combination with time series microarray analysis was used in order to identify gene-regulatory patterns after switching from dark to light and vice versa. The change from heterotrophic growth in the dark to photoheterotrophic growth in the light was accompanied by a strong but transient activation of a broad stress response to the formation of singlet oxygen, an immediate downregulation of photosynthesis-related genes, fine-tuning of the expression of ETC components, as well as upregulation of the transcriptional and translational apparatus. Furthermore, the data suggest that D. shibae might use the 3-hydroxypropionate cycle for CO2 fixation. Analysis of the transcriptome dynamics after switching from light to dark showed relatively small changes and a delayed activation of photosynthesis gene expression, indicating that, except for light other signals must be involved in their regulation. Providing the first analysis of AAP on the level of transcriptome dynamics, this work allows the formulation of testable hypotheses on the cellular processes affected by AAP and the mechanisms involved in light- and stress-related gene regulation.