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Community assembly processes of ‘opportunistic’ freshwater bacteria

English title Community assembly processes of ‘opportunistic’ freshwater bacteria
Applicant Pernthaler Jakob
Number 182336
Funding scheme Project funding
Research institution Limnologische Station Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Ecology
Start/End 01.10.2018 - 30.09.2022
Approved amount 742'079.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Ecology
Hydrology, Limnology, Glaciology

Keywords (6)

freshwater bacterioplankton; experimental microcosms; small-scale spatial heterogeneity; bacterial growth strategies; community assembly; stochasticity

Lay Summary (German)

Lead
Bei der Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften im Wasser spielen sowohl zufällige als auch nischenabhängige Prozesse eine wichtige Rolle. Das Projekt untersucht die Hypothese, dass Bakterien mit einer bestimmten, "opportunistischen" Wachstumsstrategie v.a. durch zufällige Prozesse selektiert werden.
Lay summary

Es gibt zahlreiche Belege dafür, dass Bakterien im Süsswasser unterschiedliche, wohldefinierte Nischen besetzen, beispielsweise ihre biogeographischen Verteilungsmuster, ihr Auftreten in unterschiedlichen Jahreszeiten, oder ihre spezifischen physiologischen Merkmale. Gleichzeitig zeigt sich aber zenehmend, dass rein zufällige (stochastische) Prozesse u.U. ebenfalls entscheidend die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften mitprägen. Da Bakterien die wichtigsten Konsumenten des gelösten organischen Materials sind, ist es naheliegend, dass dieselben Prozesse, welche die genotypische Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften definieren, auch ihre Funktion entscheidend beeinflussen. Wir finden im Zürichsee eine ausgeprägte kleinräumige Variabilität in den Konzentrationen derjenigen organischen Substrate, welche von Bakterien bevorzugt genutzt werden. Mikroorganismen können auf diese ungleichen Verteilung entweder mit schneller Änderung des Wachstums reagieren («Opportunisten»), oder sie können eine Strategie des langfristigen Durchschnittes verfolgen.

Das Projekt untersucht die Hypothese, dass diese zwei bakteriellenWachstumsstrategien verknüpft sind mit den eingangs erwähnten Selektionsprozessen auf der Ebene der Gesamtgemeinschaft. Speziell soll getestet werden ob «opportunistisch» wachsende Mikroorganismen stärker durch zufällige Faktoren ausgewählt werden. Wir nehmen an, dass zahlreiche «opportunistische» Bakterien mehr oder weniger ähnlich funktionelle Eigenschaften aufweisen (funktionellen Redundanz), und dass sich die daraus resultierenden Unterschiede in den Gemeinschaften am besten in ihren kleinräumigen Verteilungsmustern zeigt. Ausserdem wollen wir diese Annahme auch experimentell überprüfen, indem wir die Zusammensetzung von Bakteriengemeinschaften untersuchen, welche sich in zahlreichen parallellen Mikrokosmen unter identischen Wachstumsbedingungen bilden.

Direct link to Lay Summary Last update: 11.10.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
163217 Adaptations of freshwater bacteria to a variable substrate field 01.10.2015 Project funding

Abstract

Various lines of evidence point at niche separation between bacterial taxa in the pelagic zone of freshwater lakes: their occurrence patterns across lakes with contrasting physicochemical properties, their seasonal and vertical distribution, or the ecophysiological differences between co-existing populations. However, there is increasing evidence that stochastic processes such as historical contingency, ecological drift and/or dispersal (limitation) also play an important role in shaping the community structure of many microbial systems. Since bacteria are the main consumers of the dissolved organic carbon (DOC) pool the nature of the community assembly processes might, moreover, affect functional properties of lake systems. In Lake Zurich, there is considerable small (cm) scale variability in the concentrations of labile DOC such as dissolved free amino acids (DFAA), creating an intrinsically heterogeneous substrate field. Such patchiness allows for two basic ecophysiological response types to elevated substrate concentrations: a constitutive flexibility in the uptake of target substrates without immediate change in growth state, or a generalized metabolic upshift. Often, these two strategies are summarized as the ‘oligotrophic’ vs. the ‘opportunistic’ life style. The proposal will explore the hypothesis that particular mechanisms of community assembly may be related to the growth strategy of water column bacteria. It will be tested if bacteria with ’opportunistic’ growth properties might disproportionally lean towards stochasticity within bacterioplankton assemblages. It is hypothesized that there is higher functional redundancy within this component of bacterioplankton communities due to the large number of such taxa and their distinct metabolic flexibility. This difference of assembly processes should be most prominently reflected at (small) spatial scales that capture local growth patterns. To address this hypothesis, field observations will be combined with field experiments and laboratory studies: The heterogeneity of bacterial community structure will be determined in parallel to that of the substrate field at a cm to m scale; community and taxon-specific assembly mechanisms will be disentangled within a hierarchic quantitative framework. Functional redundancy and stochastic community assembly processes will be studied in sets of 20 replicate experimental consortia of rapidly growing ‘opportunistic’ bacteria generated from freshwater microbial inocula at defined conditions. Finally, the response of bacterioplankton to substrate pulses will be assessed to identify ‘opportunistic’ taxa based on their metabolic differences to ‘oligotrophic’ ones.
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