Katharina Makower

• Among the bloom-forming and potentially harmful cyanobacteria, the genus Microcystis represents a most diverse taxon, on the genomic as well as on morphological and secondary metabolite levels. Microcystis communities are composed of a variety of diversified strains. The focus of this study lies on potential interactions between Microcystis representatives and the roles of secondary metabolites in these interaction processes. The role of secondary metabolites functioning as signaling molecules in the investigated interactions is demonstrated exemplary for the prevalent hepatotoxin microcystin. The extracellular and intracellular roles of microcystin are tested in microarray-based transcriptomic approaches. While an extracellular effect of microcystin on Microcystis transcription is confirmed and connected to a specific gene cluster of another secondary metabolite in this study, the intracellularly occurring microcystin is related with several pathways of the primary metabolism. A clear correlation of a microcystin knockout and theAmong the bloom-forming and potentially harmful cyanobacteria, the genus Microcystis represents a most diverse taxon, on the genomic as well as on morphological and secondary metabolite levels. Microcystis communities are composed of a variety of diversified strains. The focus of this study lies on potential interactions between Microcystis representatives and the roles of secondary metabolites in these interaction processes. The role of secondary metabolites functioning as signaling molecules in the investigated interactions is demonstrated exemplary for the prevalent hepatotoxin microcystin. The extracellular and intracellular roles of microcystin are tested in microarray-based transcriptomic approaches. While an extracellular effect of microcystin on Microcystis transcription is confirmed and connected to a specific gene cluster of another secondary metabolite in this study, the intracellularly occurring microcystin is related with several pathways of the primary metabolism. A clear correlation of a microcystin knockout and the SigE-mediated regulation of carbon metabolism is found. According to the acquired transcriptional data, a model is proposed that postulates the regulating effect of microcystin on transcriptional regulators such as the alternative sigma factor SigE, which in return captures an essential role in sugar catabolism and redox-state regulation. For the purpose of simulating community conditions as found in the field, Microcystis colonies are isolated from the eutrophic lakes near Potsdam, Germany and established as stably growing under laboratory conditions. In co-habitation simulations, the recently isolated field strain FS2 is shown to specifically induce nearly immediate aggregation reactions in the axenic lab strain Microcystis aeruginosa PCC 7806. In transcriptional studies via microarrays, the induced expression program in PCC 7806 after aggregation induction is shown to involve the reorganization of cell envelope structures, a highly altered nutrient uptake balance and the reorientation of the aggregating cells to a heterotrophic carbon utilization, e.g. via glycolysis. These transcriptional changes are discussed as mechanisms of niche adaptation and acclimation in order to prevent competition for resources.…
• Die Gattung Microcystis stellt unter den blüten-bildenden Cyanobakterien ein Taxon besonderer Diversität dar. Dies gilt sowohl für die Genomstruktur als auch für morphologische Charakteristika und Sekundärmetabolite. Microcystis-Communities weisen eine Zusammensetzung aus einer Vielzahl von diversifizierten Stämmen auf. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag darauf, potentielle Wechselwirkungen zwischen Microcystis-Vertretern zu charakterisieren und die Rolle von Sekundärmetaboliten in Interaktions-Prozessen zu untersuchen. Die Rolle von Sekundärmetaboliten als Signalstoffe in Microcystis-Interaktionen wurde exemplarisch für das Hepatotoxin Microcystin demonstriert. Sowohl die extrazelluläre als auch die intrazellulare Funktion von Microcystin wurde anhand von Microarray-basierten Transkriptomstudien getestet. Dabei konnte eine extrazelluläre Wirkung von Microcystin bestätigt werden und mit der Transkription eines spezifischen anderen Sekundärmetaboliten in Verbindung gebracht werden. Intrazellulär vorkommendes Microcystin wurdeDie Gattung Microcystis stellt unter den blüten-bildenden Cyanobakterien ein Taxon besonderer Diversität dar. Dies gilt sowohl für die Genomstruktur als auch für morphologische Charakteristika und Sekundärmetabolite. Microcystis-Communities weisen eine Zusammensetzung aus einer Vielzahl von diversifizierten Stämmen auf. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag darauf, potentielle Wechselwirkungen zwischen Microcystis-Vertretern zu charakterisieren und die Rolle von Sekundärmetaboliten in Interaktions-Prozessen zu untersuchen. Die Rolle von Sekundärmetaboliten als Signalstoffe in Microcystis-Interaktionen wurde exemplarisch für das Hepatotoxin Microcystin demonstriert. Sowohl die extrazelluläre als auch die intrazellulare Funktion von Microcystin wurde anhand von Microarray-basierten Transkriptomstudien getestet. Dabei konnte eine extrazelluläre Wirkung von Microcystin bestätigt werden und mit der Transkription eines spezifischen anderen Sekundärmetaboliten in Verbindung gebracht werden. Intrazellulär vorkommendes Microcystin wurde hingegen mit verschiedenen Stoffwechselwegen des Primärstoffwechsels verknüpft. Es konnte ein deutlicher Zusammenhang zwischen einem Microcystin-Knockout und der SigE-vermittelten Regulation des Kohlenstoffmetabolismus festgestellt werden. Anhand der erworbenen Transkriptionsdaten wurde ein Modell vorgeschlagen, das eine regulierende Wirkung von Microcystin auf Transkriptionsfaktoren wie den alternativen Sigmafaktor SigE postuliert, welcher seinerseits eine zentrale Rolle in Zuckerabbauprozessen und zellulärer Redoxregulation einnimmt. Mit dem Ziel, Community-ähnliche Bedingungen zu simulieren, wurden Microcystis-Freiland-Kolonien aus eutrophen Gewässern in der Umgebung von Potsdam isoliert und ein stabiles Wachstum unter Laborbedingungen etabliert. Es konnte gezeigt werden, dass der frisch isolierte Freilandstamm FS2 spezifisch eine starke Zellaggregation in Microcystis aeruginosa PCC 7806 (einem axenischen Labortstamm) auslösen konnte. In Transkriptionsstudien mit Hilfe von Microarrays wurden Expressionsprogramme gefunden, die sowohl einen Umbau von Zellhüllstrukturen, als auch einen stark veränderten transmembranen Nährstofftransport beinhalteten. Darüber hinaus konnte in den aggregierenden PCC 7806-Zellen eine Verlagerung zu heterotrophen Kohlenstoffabbauprozessen wie der Glykolyse gefunden werden. Die transkriptionellen Veränderungen wurden als Akklimationsmechanismen zur Positionierung in ökologische Nischen diskutiert, um Konkurrenzen um Ressourcen zu vermeiden.…