Vom Biofilm zur planktonischen Lebensform: Untersuchungen zur Flagellen-Ausbildung bei Pflanzen-assoziierten Mikroben der Gattung Methylobacterium und Charakterisierung eines prokaryotischen Phyllosphären-Isolates
L. Dörges. Universität Kassel, Kassel, Dissertation, (August 2013)
Im ersten Teil dieser Dissertation stand die Analyse der Motilitätsentwicklung bei Vertretern der Gattung Methylobacterium im Vordergrund. Diese zu den pink pigmentierten fakultativ methylotrophen Mikroorganismen (PPFMs) gehörenden Prokaryoten sind in der Umwelt weit verbreitet. Besonders häufig besiedeln die Mikroben pflanzliche Oberflächen und können als so genannte Phytosymbionten in einer wechselseitigen Beziehung zu pflanzlichen Organismen stehen. In aquatischer Umgebung können Methylobakterien Flagellen aufweisen. Hierbei handelt es sich um spezielle Fortbewegungsorganellen, die den Mikroben eine aktive Beweglichkeit ermöglichen. Die Ausbildung polarer Einzelflagellen bei Methylobacterium-Zellen in planktonischer Lebensweise konnte unter Anwendung verschiedener mikroskopischer Techniken dokumentiert werden. Quantitative Beweglichkeitsstudien zeigten einen charakteristischen Entwicklungsverlauf, korreliert mit den Wachstumsphasen der Bakterienkulturen und machten deutlich, dass die Motilitätsrate durch Umweltfaktoren, wie z. B. die Nährstoffversorgung, beeinflusst werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass die Pflanzen-assoziierten PPFMs in der Lage sind, zwischen einer sessilen und planktonischen Lebensweise zu wechseln und dass sowohl die zelluläre Beweglichkeit als auch die Biofilm-Bildung der Prokaryoten ein reversibles, reaktivierbares Verhalten darstellt. Weiterhin konnte belegt werden, dass die Motilität der epiphytischen Mikroben bezüglich der Besiedelung von Pflanzen, z. B. bei der Ausbreitung auf Keimblatt-Oberflächen von Sonnenblumen (Helianthus annuus), keine zentrale Rolle spielt und eine endophytische Lebensweise unwahrscheinlich ist.
Ziel der Arbeit war weiterhin die Charakterisierung und Identifizierung eines aus der Phyllosphäre der Echten Feige (Ficus carica, Standort Griechenland) isolierten Bakterien-Stammes (Mtb. sp. Fc1). Die fakultativ methylotrophe Stoffwechseleigenschaft, sowie die auffällige rötliche Pigmentierung belegen, dass es sich um einen Vertreter der PPFMs handelt. Die Analyse morphologischer, physiologischer und biochemischer Eigenschaften bestätigte in Übereinstimmung mit molekularphylogenetischen Untersuchungen zur Klassifizierung und taxonomischen Einordnung, dass es sich um Pflanzen-assoziierte Mikroben der Gattung Methylobacterium handelt. Analysen der 16S rDNA sowie partieller Sequenzen der für Methylobakterien etablierten Marker-Gene mxaF und gyrB verdeutlichten die phylogenetische Stellung und die evolutionären Beziehungen des Ficus-Isolates. Obwohl enge Verwandtschaftsverhältnisse zu anderen Methylobacterium-Arten ermittelt werden konnten, war eine Identifizierung als valide beschriebene Spezies nicht möglich. Die Resultate legen den Schluss nahe, dass es sich um eine neue, unbeschriebene Spezies der epiphytisch lebenden Methylobakterien handelt.
Although most prokaryotic organisms, as well as the methylobacteria examined here, prefer to live on surfaces in complex biofilms, most of them have the ability to develop free-swimming, motile cells. The formation and development of the cellular motility via the formation of a flagellum was analyzed in detail with several Methylobacterium strains. These pink-pigmented facultative methylotrophic microorganisms (PPFMs) are widespread in natural environments and often colonize plant surfaces, notably the phyllosphere. They live as so-called phytosymbionts in a more or less close and mutual relationship with the corresponding plant. In aquatic environments, immotile cells can produce a polar inserted single flagellum, which enables the bacteria to perform an active cell movement. The occurrence of these extracellular protein filaments was investigated and documented with various microscopic techniques. Quantitative studies of the bacterial motility revealed a characteristic developmental pattern that is correlated with microbial growth. Moreover, the data document that environmental factors, such as the availability of nutrients, influence the motility of the bacteria directly. The plant-associated PPFMs are able to switch between a sessile and a planktonic form, a response that is both reversible and re-activatable. Furthermore, the results of experimental studies document that bacterial motility is not involved in epiphytic translocation on plant surfaces, for instance on sunflower (Helianthus annuus) cotyledons. Moreover, no endophytic occurrence of the examined PPFMs was detected in seedlings of sunflower and rice (Oryzae sativa).
The second part of the work dealt with the characterization and identification of the prokaryotic Mtb. sp. Fc1, isolated from the phyllosphere of a fig tree (Ficus carica) located in Greece. The ability to utilize methanol as sole source of carbon and energy indicates that the isolated strain is a facultative methylotrophic bacterium and the characteristic reddish pigmentation revealed that the Ficus-isolate belongs to the plant-associated PPFMs. In addition, a variety of morphological, physiological and biochemical characteristics proved a close relationship to the genus Methylobacterium. This result was confirmed by molecularphylogenetic analyses which indicate the taxonomic position and evolutionary relationship to already described strains of Methylobacterium. Based on 16S rDNA sequences and partial fragments of the mxaF and gyrB genes the phylogenetic classification of Mtb. sp. Fc1 was reconstructed. The trees document the close relationships within the genus. Nonetheless, a definite identification as a valid “species” was not possible, but led to the conclusion that the isolate from the fig leaf surface is a new, not yet described taxon of the genus Methylobacterium.
