Evolution under environmental stress: Patterns of adaptation in natural bacterial populations
Final Report Abstract
Das Projekt befasste sich mit Populationsgenetik von Bakterien aus Umweltproben. Die zentralen Frage waren: Wie passen sich Bakterien im Rahmen von mikroevolutiven Prozessen an unterschiedliche Umweltbedingungen an? Welche Umweltbedingungen können zu Aufspaltungsprozessen innerhalb einer bakteriellen Art führen? Dazu wurden für zwei unterschiedliche Bakterienarten, Bacillus simplex von den klimatisch unterschiedlichen Hängen des "Evolution Canyon" in Israel (N = 131 Isolate) und Pseudomonas aeruginosa (N = 518, im Rahmen des Projekts aus Wasserproben nordeutscher Flüsse von Standorten mit unterschiedlicher chemischer Belastung isoliert), genotypische Charakterisierungen zur Bestimmung von Verwandschaftsstrukturen, ökophysiologische Phänotypen und Daten zu abiotischen Umweltparametern der durchaus unterschiedlichen Ökologien der Habitate zusammengeführt. Für beide Arten konnte gezeigt werden, dass ihre mikroevolutive Entwicklung sehr wohl durch Umweltbedingungen geprägt ist - es konnten mehrere Ökotypen identifiziert werden. Für P. aeruginosa konnte dies erstmals gezeigt werden - ein Befund, der, wenngleich aus evolutionstheoretischer Perspektive sehr wohl erwartet, in der bis dato verfügbaren Literatur zu P. aeruginosa als nicht erwartbar dargelegt wurde. Die Mikroevolution von B. simplex in "Evolution Canyon" wird deutlich durch die Temperaturunterschiede der Hänge geprägt, aber weniger durch den Feuchtigkeitsgehalt. Die Hypothese, dass das unterschiedliche organische Material der Böden der Hänge, welches als Energiequelle dient, sich auf die Bildung der Ökotypen ausgewirkt hat, konnte nicht aufrecht erhalten werden. Es wurden die Genome von 48 B. simplex Stämmen bestimmt, diese befinden sich noch in der Analyse. Während die Diversifizierung und Artaufspaltung bedingt durch die klimatisch unterschiedlichen Hänge sich schon jetzt deutlich im Genom wiederspiegelt, wird die hohe Plasmid-Diversität in den B. simplex Wirten augenscheinlich in keinster Weise durch die gegenwärtig erfassbaren Umweltparameter bestimmt. Für P. aeruginosa konnte gezeigt werden, dass sowohl die unterschiedliche chemische Belastung von Wasserstandorten wie auch die spezifische Wirkung von Phagen aus der Umwelt, vermutlich bedingt durch unterschiedliche Lipopolysaccharid-Rezeptoren der Wirte, sich positiv auf die Bildung von Ökotypen und somit Artaufspaltung innerhalb von P. aeruginosa auswirken. Die Ergebnisse zu P. aeruginosa legen nahe, dass die wesentlichen mikroevolutiven Schritte tatsächlich in der Umwelt und nicht im klinischen Habitat, wie oftmals postuliert, stattfinden. Eine der Publikationen zu B. simplex führte zu einer Pressemitteilung der Society of General Microbiology unter dem Titel "Bacteria reveal secret of adaptation at Evolution Canyon" (http://www.sgm.ac.uk/news/releases/JM.0808.JS.1.cfm).
Publications
- (2007). Patterns of thermal adaptation of Bacillus simplex to the microclimatically contrasting slopes of "Evolution Canyon" I and II, Israel. Environ Microbiol 9: 716–726
Sikorski, J., and Nevo, E.
- (2008). Carbon source utilization patterns of Bacillus simplex ecotypes do not reflect their adaptation to ecologically divergent slopes in "Evolution Canyon", Israel. FEMS Microbiology Ecology 66: 38- 44
Sikorski, J., Pukall, R., and Stackebrandt, E.
- (2008). Identifying the fundamental units of bacterial diversity: a paradigm shift to incorporate ecology into bacterial systematics. Proc Natl Acad Sci U S A 105: 2504-2509
Koeppel, A., Perry, E.B., Sikorski, J., Krizanc, D., Warner, A., Ward, D.M., Rooney, A. P., Brambilla, E., Connor, N., Ratcliff, R. M., Nevo, E., Cohan, F. M.
- (2008). Populations under microevolutionary scrutiny: what will we gain? Arch Microbiol 189: 1-5
Sikorski, J.
- (2008). The temperature adaptive fatty acid content in Bacillus simplex strains from "Evolution Canyon", Israel. Microbiology 154: 2416-2426
Sikorski, J., Brambilla, E., Kroppenstedt, R.M., and Tindall, B.J.
- (2009). A glimpse of microevolution in nature: Bacterial adaptation and speciation in 'Evolution Canyon', Israel. Microbiology Today 36: 92-95
Sikorski, J.
- (2010). A robust procedure for comparing multiple means under heteroscedasticity in unbalanced designs. PLoS ONE 5: e9788
Herberich, E., Sikorski, J., and Hothorn, T.
- (2010). Ecology of speciation in Bacillus. Appl Environ Microbiol 76: 1349-1358
Connor, N., Sikorski, J., Rooney, A.P., Kopac, S., Koeppel, A.F., Burger, A., Cole, S. G., Perry, E. B., Krizanc, D., Field, N. C. Slaton, M., and Cohan, F. M.
- (2010). Taxonomische Praxis und Artbildungsprozesse bei Bakterien. Naturwissenschaftliche Rundschau 63: 173-181
Sikorski, J.
- (2012). Pseudomonas aeruginosa population structure revisited under environmental focus: impact of water quality and phage pressure. Environmental Microbiology 14: 1952 - 1967
Selezska, K., Kazmierczak, M., Müsken, M., Garbe, J., Schobert, M., Häussler, S., Wiehlmann, L., Rohde, C., Sikorski, J.
(See online at https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2012.02719.x) - (2012). Visualization and curve-parameter estimation strategies for efficient exploration of Phenotype MicroArray kinetics. PLoS ONE 7: e34846
Vaas, L.A.I., Sikorski, J., Michael, V., Göker, M., and Klenk, H.-P.
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pone.0034846)
