Koevolution zwischen drei Arten bei sich verändernden Umweltbedingungen: Können prophagen die Evolution bakterieller Virulenz beschleunigen?

RO 4628/4-2

Anpassung und Gegen-Anpassung zweier interagierender Arten kann rasch erfolgen. Während sich sowohl theoretische Modelle als auch empirische Studien ausführlich mit dualen Art-Interaktionen beschäftigen, gibt es kaum Daten über die Interaktionen von mehr als zwei Arten. Dies ist jedoch in der Natur meist der Fall. Darüberhinaus nimmt der Mensch Einfluss auf Selektions-Regime und damit auf Art-Interaktionen indem er abiotische Faktoren verändert. Daher ist es wichtig Art-Interaktionen in einem Kontext zu betrachten, der viele alle Arten als auch abiotische Faktoren experimentell integriert. Währen Phase I dieses Schwerpunktprogrammes haben wir die schnelle evolutionäre Anpassung in einer drei Arten-Interaktion untersucht. Unser etabliertes Modellsystems besteht aus der Grasnadel Syngnathus typhle (der Endwirt), Bakterien des Gattung Vibrio, und ihren assozierten Prophagen. Schwerpunkt war hierbei die Eigenschaft der Phagen sich ins Bakteriengenom zu integrieren. Dadurch kann der Phage seinen bakteriellen Wirt mit zusätzlichen Genen ausstatten, z.B. Virulenzgene die, somit die Bakterienfitness erhöhen. Wir konnten während der Phase I zeigen, dass Umweltveränderungen, wie reduzierte Salinität, sowohl die Infektionsdynamik, wie auch die evolutionären Abläufe zwischen Bakterien und temperaten Phagen verändern. In einem Koevolutionsexperiment zwischen Vibrio und einem temperaten Phagen konnten wir eine schnelle Anpassung bakterieller Resistenz gegen den Phagen beobachten. Unter Stress verursachenden Salinitätsbedingungen wurden Lysogene (Bakterien mit integriertem Phagen) gegenüber Phagenresistenten Mutanten bevorzugt. Unter normalen Salinitätsbedingungen waren die Lysogenen hingegen zu kostpielig und sind deshalb sehr schnell ausgestorben. Wir schlagen nun vor (1) Genome von ausgewählten Lysogenen und Mutanten der Populationen des Evolutionsexperiment zu sequenzieren, um die zugrundeliegenden genomischen Veränderungen und Mechanismen, dank denen der Prophage ins Bakterien Chromosom integriert, zu erfassen. Hierdurch wollen wir die Resistenzevolution gegen die temperaten Phagen grundlegend verstehen und erfassen, wie sich die veränderten Umweltbedingungen auf die Koevolution auswirkt. 2) Parallel werden wir untersuchen, wie ein weiterer biotischer Interaktionsartner, der eukaryotische Wirt, die Vibrio-Phagen Koevolution beschränkt oder auch fördert, und wie die Selektion durch das Immunsystem die Vibrio-Virulenzevolution beschleunigt. Um dies zu erreichen, werden wir zwei „Serial Passage“-Experimente durchführen, in denen wir die Phagen-Bakterien Koevolutoin im eukaryotischen Wirt verfolgen. Die Resultate dieses Projektes werden es ermöglichen, die zugrunde liegenden Mechanismen von koevolutionären Prozessen zwischen Bakterien und temperaten Phagen zu entflechten und werden uns neue Einsicht in schnelle Virulenz-Evolution in Abhängigkeit von Prophagen und der Umwelt geben.

Publikationen

• Chibani, C.M., Roth, O., Liesegang, H. & Wendling, C. (2020) Genomic variation among closely related Vibrio alginolyticus strains is located on mobile genetic elements. BMC Genomics 21, 354. DOI: 10.1186/s12864-020-6735-5
  
  
• Goehlich H, Roth O, Wendling CC. (2019) Filamentous phages reduce bacterialgrowth in low salinities. R. Soc. open sci. 6:191669. DOI: 10.1098/rsos.191669
  
  
• Chibani CM, Poehlein A, Roth O, Liesegang H, Wendling CC (2017) Draft genome sequence of Vibrio splendidus DSM 19640. Genome Announc 5:e01368-17. DOI: 10.1128/genomeA.01368-17