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Phenotypic heterogeneity - towards the sociobiology of insect pathogenic Photorhabdus luminescens and the decision of being different
Phenotypic heterogeneity - towards the sociobiology of insect pathogenic Photorhabdus luminescens and the decision of being different
Photorhabdus luminescens are Gram-negative bacteria that live in symbiosis with soil nematodes and are simultaneously highly pathogenic towards insects. The bacteria exist in two phenotypically different forms, designated as primary (1°) and secondary (2°) cells. After prolonged cultivation up to 50% of 1° convert into 2° cells. An important difference between the two phenotypic forms is that 2° cells are unable to live in symbiosis with nematodes, and therefore are believed to remain in the soil after a successful infection cycle. Furthermore, as a 100% switching frequency would be fatal for the bacteria’s life cycle the switching process has to be tightly controlled. Therefore, the fate of 2° cells in soil as well as the regulation mechanism of phenotypic heterogeneity were the main focuses of this work. The P. luminescens subsp. laumondii TT01 strain as well as its rifampicin resistant mutant (TT01Rif) are the most common P. luminescens strains used in scientific research. However, the genome of TT01Rif has never been sequenced and referring to it as only TT01 in literature causes difficulties in clear assignment. As a first step of this work, both strains were compared genetically as well as phenotypically. Thereby, the TT01Rif strain could be identified as an independent isolate rather than a TT01 mutant and was therefore renamed into P. luminescens subsp. laumondii DJC. The new DJC reference genome enabled comparative transcriptome analysis of P. luminescens DJC 1° and 2°. Thereby, mediation of 1°-specific features such as e.g. bioluminescence, antibiotic production or pigmentation at transcriptional level could be proven as the respective genes were found to be down-regulated in 2° cells. Furthermore, the compiled data provides evidence that 2° cells of P. luminescens are better adapted to a life outside the host(s), presumably feeding from plant root exudates. Lastly, two novel transcriptional regulators, XreR1 and XreR2, could be identified. These regulators were found to play a major role in the process of phenotypic switching and initial insights about their molecular mechanisms were gained., Photorhabdus luminescens sind Gram-negative Bakterien, die in Symbiose mit Bodennematoden leben und gleichzeitig hoch pathogen gegenüber Insekten sind. Die Bakterien existieren in zwei phänotypisch unterschiedlichen Formen, die als primäre und sekundäre Zellen bezeichnet werden. Nach längerer Kultivierung entstehen aus bis zu 50% der Primärzellen, Sekundärzellen. Ein wichtiger Unterschied zwischen den beiden phänotypischen Formen besteht darin, dass Sekundärzellen nicht in der Lage sind, in Symbiose mit Nematoden zu leben, und daher nach einem erfolgreichen Infektionszyklus vermutlich im Boden verbleiben. Da eine 100-prozentige Konvertierung in Sekundärzellen den Lebenszyklus der Bakterien zum Erliegen brächte, muss diese streng reguliert sein. Daher wurde in dieser Arbeit das Schicksal der Sekundärzellen sowie die regulatorischen Abläufe die zu phänotypischer Heterogenität führen näher untersucht. Der Stamm P. luminescens subsp. laumondii TT01 sowie seine Rifampicin-resistente Mutante (TT01Rif) sind die in der wissenschaftlichen Forschung am häufigsten verwendeten P. luminescens Stämme. Die Tatsache, dass das TT01Rif Genom bisher nicht sequenziert wurde, beide Stämme jedoch in der Literatur als TT01 bezeichnet werden führt häufig zu Schwierigkeiten eindeutiger Zuordnung. Daher wurden als erster Schritt dieser Arbeit beide Stämme sowohl genetisch als auch phänotypisch verglichen. Dadurch konnte der TT01Rif-Stamm als unabhängiges Isolat und nicht als TT01-Mutante identifiziert werden und aufgrund dessen in P. luminescens subsp. laumondii DJC umbenannt. Mit dem korrekten DJC Genom konnte dann eine vergleichende Tanskriptomanalyse von P. luminescens DJC Primär- und Sekundärzellen durchgeführt werden welche beweisen konnte, dass primär-spezifische Merkmale wie z.B. Biolumineszenz, Pigmentierung, Antibiotikasynthese und Zellverklumpung auf Transkriptionsebene vermittelt werden. Außerdem zeigen die Daten dieser Arbeit, dass P. luminescens Sekundärzellen besser an ein Leben außerhalb des Wirts angepasst sind und sich vermutlich von Pflanzenwurzelexsudaten ernähren. Darüber hinaus konnten zwei neue Transkriptionsregulatoren, XreR1 und XreR2, identifiziert und erste Einblicke in ihre molekularen Mechanismen gewonnen werden.
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Eckstein, Simone
2019
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Eckstein, Simone (2019): Phenotypic heterogeneity - towards the sociobiology of insect pathogenic Photorhabdus luminescens and the decision of being different. Dissertation, LMU München: Faculty of Biology
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Abstract

Photorhabdus luminescens are Gram-negative bacteria that live in symbiosis with soil nematodes and are simultaneously highly pathogenic towards insects. The bacteria exist in two phenotypically different forms, designated as primary (1°) and secondary (2°) cells. After prolonged cultivation up to 50% of 1° convert into 2° cells. An important difference between the two phenotypic forms is that 2° cells are unable to live in symbiosis with nematodes, and therefore are believed to remain in the soil after a successful infection cycle. Furthermore, as a 100% switching frequency would be fatal for the bacteria’s life cycle the switching process has to be tightly controlled. Therefore, the fate of 2° cells in soil as well as the regulation mechanism of phenotypic heterogeneity were the main focuses of this work. The P. luminescens subsp. laumondii TT01 strain as well as its rifampicin resistant mutant (TT01Rif) are the most common P. luminescens strains used in scientific research. However, the genome of TT01Rif has never been sequenced and referring to it as only TT01 in literature causes difficulties in clear assignment. As a first step of this work, both strains were compared genetically as well as phenotypically. Thereby, the TT01Rif strain could be identified as an independent isolate rather than a TT01 mutant and was therefore renamed into P. luminescens subsp. laumondii DJC. The new DJC reference genome enabled comparative transcriptome analysis of P. luminescens DJC 1° and 2°. Thereby, mediation of 1°-specific features such as e.g. bioluminescence, antibiotic production or pigmentation at transcriptional level could be proven as the respective genes were found to be down-regulated in 2° cells. Furthermore, the compiled data provides evidence that 2° cells of P. luminescens are better adapted to a life outside the host(s), presumably feeding from plant root exudates. Lastly, two novel transcriptional regulators, XreR1 and XreR2, could be identified. These regulators were found to play a major role in the process of phenotypic switching and initial insights about their molecular mechanisms were gained.

Abstract

Photorhabdus luminescens sind Gram-negative Bakterien, die in Symbiose mit Bodennematoden leben und gleichzeitig hoch pathogen gegenüber Insekten sind. Die Bakterien existieren in zwei phänotypisch unterschiedlichen Formen, die als primäre und sekundäre Zellen bezeichnet werden. Nach längerer Kultivierung entstehen aus bis zu 50% der Primärzellen, Sekundärzellen. Ein wichtiger Unterschied zwischen den beiden phänotypischen Formen besteht darin, dass Sekundärzellen nicht in der Lage sind, in Symbiose mit Nematoden zu leben, und daher nach einem erfolgreichen Infektionszyklus vermutlich im Boden verbleiben. Da eine 100-prozentige Konvertierung in Sekundärzellen den Lebenszyklus der Bakterien zum Erliegen brächte, muss diese streng reguliert sein. Daher wurde in dieser Arbeit das Schicksal der Sekundärzellen sowie die regulatorischen Abläufe die zu phänotypischer Heterogenität führen näher untersucht. Der Stamm P. luminescens subsp. laumondii TT01 sowie seine Rifampicin-resistente Mutante (TT01Rif) sind die in der wissenschaftlichen Forschung am häufigsten verwendeten P. luminescens Stämme. Die Tatsache, dass das TT01Rif Genom bisher nicht sequenziert wurde, beide Stämme jedoch in der Literatur als TT01 bezeichnet werden führt häufig zu Schwierigkeiten eindeutiger Zuordnung. Daher wurden als erster Schritt dieser Arbeit beide Stämme sowohl genetisch als auch phänotypisch verglichen. Dadurch konnte der TT01Rif-Stamm als unabhängiges Isolat und nicht als TT01-Mutante identifiziert werden und aufgrund dessen in P. luminescens subsp. laumondii DJC umbenannt. Mit dem korrekten DJC Genom konnte dann eine vergleichende Tanskriptomanalyse von P. luminescens DJC Primär- und Sekundärzellen durchgeführt werden welche beweisen konnte, dass primär-spezifische Merkmale wie z.B. Biolumineszenz, Pigmentierung, Antibiotikasynthese und Zellverklumpung auf Transkriptionsebene vermittelt werden. Außerdem zeigen die Daten dieser Arbeit, dass P. luminescens Sekundärzellen besser an ein Leben außerhalb des Wirts angepasst sind und sich vermutlich von Pflanzenwurzelexsudaten ernähren. Darüber hinaus konnten zwei neue Transkriptionsregulatoren, XreR1 und XreR2, identifiziert und erste Einblicke in ihre molekularen Mechanismen gewonnen werden.