Bacteria as chloromethane sinks – from model strains to forest soil communities = Le rôle des bactéries dans le filtrage du chlorométhane, un gaz destructeur de la couche d’ozone – des souches modèles aux communautés microbiennes de sols forestiers

Titelangaben

Chaignaud, Pauline:
Bacteria as chloromethane sinks – from model strains to forest soil communities = Le rôle des bactéries dans le filtrage du chlorométhane, un gaz destructeur de la couche d’ozone – des souches modèles aux communautés microbiennes de sols forestiers.
Bayreuth , 2016 . - 285 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Chloromethane (CH3Cl) is a volatile organic compound responsible for over 15% of
stratospheric ozone degradation due to chlorinated compounds. It is mainly produced by
living and decaying plants. Bacteria utilizing CH3Cl as sole carbon and energy source for
growth were shown to be involved in the filtering of CH3Cl emissions to the atmosphere. This
biological process remains to be quantified in the environment, especially for forest soil, a
major CH3Cl sink. The cmuA gene is used as a biomarker of bacterial CH3Cl degradation in
environmental studies. It encodes a CH3Cl methyltransferase essential for bacterial growth
by the cmu (chloromethane utilization) pathway for growth with CH3Cl and the only one
characterized so far. My thesis project had a double aim: i) In depth studies of CH3Cl
adaptation of a model methylotrophic bacterium, Methylobacterium extorquens strain CM4;
ii) Exploration of bacterial CH3Cl-utilizers in forest
An RNAseq study of strain CM4 has shown that growth with CH3Cl leads to a difference of
transcription of 137 genes in its 6.2 Mb genome compared to growth with methanol
(CH3OH). Among those, genes of the cmu pathway and other genes involved in the
metabolism of essential cofactors for CH3Cl utilization by this pathway, are all plasmid
pCMU01-encoded. Paralogous genes located on the chromosome were not differentially
expressed. On the other hand, other chromosomal genes potentially involved in extruding
protons generated during CH3Cl deshalogenation (hppA), NADP+ regeneration (pnt), or in the
cofactor tetrahydrofolate metabolism (gcvPHT) were differentially expressed.
The diversity of CH3Cl-degrading bacteria in forest soil of the German natural park of
Steigerwald was studied in microcosms using stable isotope probing. Microorganisms able to
assimilate labeled [13C]-CH3Cl incorporate this heavy carbon isotope in their DNA. Sequence
analysis of the PCR-amplified 16S RNA encoding gene from [13C]-DNA fractions uncovered
phylotypes of the genus Methylovirgula and of the order of the Actinomycetales, which were
not associated with bacterial CH3Cl degradation so far. In contrast, PCR-amplified sequences
of cmuA and other genes of methylotrophic metabolism were closely related to known
CH3Cl-degrading isolates. These results suggest that bacteria containing genes of the cmu
pathway acquired by horizontal gene transfer as well as bacteria lacking the cmu pathway
contribute to biological filtering of CH3Cl in forest soil. Future experiments coupling
molecular and culture methods will aim to discover new CH3Cl-degrading pathways and to
characterize the abundance and diversity of CH3Cl-degradation metabolism in soil and other
environmental compartments.

Abstract in weiterer Sprache

Chloromethane (CH3Cl Chlormethan (CH3Cl) ist eine volatile organische Verbindung (BVOC), die für mehr als 15% des stratosphärischen
Ozonabbaus verantwortlich ist. Es wird vor allem von lebenden und toten Pflanzenteilen gebildet. Bakterien, die CH3Cl als Kohlenstoff- und
Energiequelle für ihr Wachstum nutzen, sind an der Reduktion der CH3Cl -Emissionen in die Atmosphäre beteiligt. Dieser biologische
Prozess wurde bislang in der Umwelt nicht quantifiziert, insbesondere in Waldböden, die eine wichtige biologische Senke darstellen. Das
cmuA-Gen wird als Biomarker zur Detektion von bakterieller CH3Cl -Abbau in der Umwelt eingesetzt. Es kodiert für eine CH3Cl -
Methyltransferase, die essentiell für Wachstums mittels des cmu (chloromethane utilization)-Stoffwechsel ist – der bislang einzig bekannte
Abbau-Stoffwechselweg. Mein Promotionsprojekt verfolgte zwei Ziele: i) Hochauflösende Untersuchungen am Transkriptom zur Anpassung
an die CH3Cl -Nutzung im Model-Bakterium Methylobacterium extorquens Stamm CM4; ii) Erfassung von bakteriellen CH3Cl -Nutzern in
einem Waldboden.
In einer RNAseq-Studie am Stamm CM4 konnte gezeigt werden, dass Wachstum auf CH3Cl zu unterschiedlichen Transkription von 137
Genen des 6.2 Mb-Genom im Vergleich mit Wachstum auf Methanol (CH3OH) führte. Von diesen Genen sind alle Gene des cmu-
Stoffwechselweges und die Gene zur Synthese essentieller Kofaktoren auf dem Plasmid pCMU01 kodiert. Paraloge, die sich auf dem
Chromosom befinden, wurden nicht differentiell exprimiert. Andererseits wurden chromosomale Gene, die potentiell am Export von
während der Dehalogenierung gebildeten Protonen (hppA), an der NADP+-Regeneration (pnt) oder an der Synthese des Kofaktors
Tetrathydrofolat (gcvPHT) beteiligt sind, differentiell exprimiert.
Im Zweiten Teil des Promotionsprojektes wurde die Biodiversität der CH3Cl-abbauenden Bakterien in einem Waldboden im deutschen
Naturpark Steigerwald mittels Stabiler-Isotopen-Beprobung in Mikrokosmen untersucht. Mikroorganismen, die [13C]-CH3Cl assimilierten,
inkorporierten dieses stabile Isotop in ihrer DNA. Sequenz-Analysen markierter DNA anhand des Genmarkers 16S-rRNA-Gen ergaben
Phylotypen der Gattung Methylovirgula und der Ordnung Actinomycetales - Bakterien, die bislang nicht mit CH3Cl-Abbau in Zusammenhang
gebracht werden konnten. Dahingegen waren die markierten Genotypen des Gens cmuA und anderer Gene aus dem C1-Stoffwechsel nah
zu bekannten Genotypen bereits kultivierter Reinkulturen verwandt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Bakterien, die Gene des cmu-
Stoffwechsels besitzen, diese durch horizontalen Gentransfer aquiriert haben bzw. dass es CH3Cl-abbauende Bakterien gibt, die nicht den
cmu-Stoffwechselweg besitzen. Zukünftige Untersuchungen, die molekulare und Kultivierungsmethoden kombinieren werden, sollen neue
CH3Cl-Abbau-Stoffwechselwege identifizieren und darüber hinaus die Abundanz und Diversität der CH3Cl-Abbaustoffwechsel in Böden und
anderen Umwelten aufklären.