Project

Discipline

freshwater bacterioplankton; metatranscriptomics; single-cell activity; dissolved organic matter; substrate incorporation; habitat heterogeneity; metagenomics

Lead
Organisches Material in Seen löst sich aus zahllosen Punktquellen, wie z.B. absterbenden Algenzellen, und wird anschliessend durch Diffusion und Turbulenzen im Wasser verteilt. Daraus ergibt sich ein Gefüge an Konzentrationsgradienten, in denen Mikroorganismen sich orientieren müssen, um erfolgreich zu wachsen. Das Projekt untersucht mögliche mikrobielle Wachstums-Strategien, um in einer komplexes "Landschaft" aus unterschiedlich hohen Nährstoffkonzentrationen im Seewasser zu existieren.
Lay summary
Die Wassersäule von Seen erscheint auf den ersten Blick als ein weitgehend unstrukturierter Lebensraum, in dem das gelöste organische Material gleichförmig verteilt ist. In Wirklichkeit stammen jedoch viele der kleinen organischen Moleküle, welche die Nahrungsgrundlage vieler Bakterien bilden, aus punktförmigen Quellen wie absterbende Algenzellen oder anderem partikuläres Material, welches von Mikroorganismen besiedelt wird. Ein Teil der so gelösten organischen Verbindungen wird dabei freigesetzt und durch Turbulenzen in der Wassersäule verteilt. Planktische Bakterien existieren daher in einem Lebensraum von Konzentrationsgradienten. Manche Mikroorganismen können diese nützen, um sich zu orientieren, und durch aktive Beweglichkeit (Geissel) zur Quelle eines bestimmten Substrates zu gelangen. Für diese Bakterien sollte eine erhöhte Substratkonzentration also dazu dienen, Vorhersagen über zukünftige (bessere) Wachstumsbedingungen zu treffen. Erwartungsgemäss sollten sie mit einer umfassenden metabolischen Regulation auf solche Bedingungen reagieren. Andere Bakterien hingegen besitzen keinen Fortbewegungsapparat, und können daher auch keine Substratquellen ansteuern. Dennoch ist zu erwarten, dass sie Anpassungen haben, um die gegebenen Konzentrationsunterschiede optimal auszunützen. Beispielsweise könnten sie die nötige Kapazität für kurzfristig höheren Substrattransport in die Zelle permanent zur Verfügung zu stellen, sodass keine Genregulation erforderlich wäre. Im ersten Schritt des geplanten Projekts wollen wir die -theoretisch plausible, empirisch weitgehend unbewiesene- räumliche Unterschiedlichkeit des Substratfeldes in einem See am Beispiel der Aminosäuren untersuchen, und zwar auf Skalen von Zentimeter bis Kilometern. Aufgrund dieser Information werden wir anschliessend Experimente mit Substratanreicherungen durchführen, um die Reaktion verschiedener mikrobieller Lebensformtypen mit der erwarteten Vorhersage unseres Modells zu vergleichen.

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Last update: 07.10.2015

Active participation

Number	Title	Start	Funding scheme

Free-living freshwater microbes appear to thrive in an unstructured environment that is largely homogeneous with respect to substrate distribution. However, physical, biogeochemical and biological factors superimpose structure onto pelagic habitats at various spatial and temporal scales. This heterogeneity may be relevant for bacterial assemblages in the productive surface water layers, as it mediates the co-existence of genotypes with contrasting growth strategies. For example, motile and non-motile bacterioplankton populations could have different ecophysiological adaptations to locally variable substrate levels. Motile cells track gradients of organic compounds; they are thus expected to interpret a rise of substrate concentrations as a signal for increasingly favourable growth conditions, and to rapidly undergo general metabolic up-regulation. By contrast, non-motile bacteria are passively exposed to stochastic change of the substrate field from which they cannot predict future growth conditions. They should thus exhibit a much more limited physiological response to substrate heterogeneity. However, also non-motile bacteria should be well-adapted to thrive in a variable substrate field, e.g., by a permanent ‘preparedness’ to rapidly incorporate substrates across concentrations ranges that match environmental fluctuations.Dissolved free amino acids (DFAA) are highly favourable for the growth of many microbial taxa in aquatic systems; thus they are only available at low nanomolar concentrations. Due to the tight coupling between DFAA consumption and release, they qualify as sensitive tracers for exploring the heterogeneous substrate field experienced by free-living aquatic bacteria. DFAA patterns can be determined in less than a millilitre of lake water, allowing for high spatial resolution by appropriate sampling approaches. The proposed project will investigate the extent of substrate variability at the meso- (cm) to macroscale (m, km), and its consequences on the growth patterns of sympatric free-living bacterioplankton populations. We shall chart the heterogeneity of DFAA in Lake Zurich at different spatiotemporal scales and analyse its relatedness to biotic and abiotic factors. This will provide an ecologically meaningful framework for performing pulse addition experiments with DFAA, to test the hypothesis that motile and non-motile bacterial taxa differ in their respective metabolic responses. We shall obtain metagenomic information from these experiments to distinguish between populations with and without genes for motility, and subsequently map metatranscriptomic data onto these populations. In parallel, we will assess motility, compare the substrate uptake velocity of different bacterioplankton taxa, and determine to which extent the transport of DFAA into cells is upregulated by prior exposure.