Sponge-associated bacteria [Elektronische Ressource] : specificity, diversity, and antimicrobial potential / vorgelegt von Vera Thiel

SPONGE-ASSOCIATED BACTERIA:
SPECIFICITY, DIVERSITY AND
ANTIMICROBIAL POTENTIAL













Dissertation



zur Erlangung des Doktorgrades
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Christian-Albrechts-Universität
zu Kiel


vorgelegt von
Dipl.-Biol. Vera Thiel









Kiel 2006































Referent/in: Prof. Dr. Johannes F. Imhoff
Korreferent/in: Prof. Dr. Peter Schönheit
Tag der mündlichen Prüfung: 10. November 2006
Zum Druck genehmigt: Kiel, 10. November 2006

Der Dekan


TABLE OF CONTENTS
Summary ...........................................................................................................................1
Zusammenfassung ..................................................................................................................2
General Introduction...............................................................................................................4
Theoretical background..............................................................................................4
Sponge-associated bacteria.........................................................................................8
Aim of the thesis.......................................................................................................13
Study objects............................................................................................................14
Sampling sites...........................................................................................................17
Organisation of the thesis19

Manuscripts:
Chapter I Sponge-Specific Bacterial Associations of the Mediterranean Sponge
Chondrilla nucula (Demospongiae, Tetractinomorpha) .................................21
Chapter II Spatial Distribution of Sponge-Associated Bacteria in the Mediterranean
Sponge Tethya aurantium................................................................................39
Chapter III Phylogenetic Identification of Bacteria with Antimicrobial Activities
Isolated from Mediterranean Sponges.............................................................61
Chapter IV Abundance, Bioactivity and Ecological Relevance of Cultured Sponge-
Associated Bacteria from the Mediterranean Sea ...........................................65

General Discussion...............................................................................................................83
Conclusion .........................................................................................................................87
Literature88
Acknowledgements ............................................................................................................103
Individual scientific contribution to multiple-author publications.....................................104
Erklärung .......................................................................................................................106
Appendix A ............................................................................................................................I
Appendix BVI

SUMMARY
SUMMARY
In the present study sponge-bacteria associations as well as the antimicrobial potential
of sponge-associated bacteria was investigated. Culture independent methods were applied to
examine diversity, specificity and temporal consistency of sponge-associated bacterial
communities while culture-based methods were used to address the antimicrobial potential of
bacteria associated with different Mediterranean sponges. For molecular studies, Chondrilla
nucula and Tethya aurantium were used as model organisms for sponges containing an apparent
high number of associated bacteria (‘bacteriosponges’) and sponges without apparent
associated bacteria (‘bacteria-free’ sponges), respectively. Stable and specific bacterial
associations were demonstrated for both sponges suggesting that associations between
sponges and bacteria are a common occurrence and ‘bacteria-free’ sponges might not exist.
Sponge-microbe associations are proposed as ‘microbial consortia inhabiting the
micro-environment sponge’. The association of Bdellovibrio-like Deltaproteobacteria as well as
putatively ammonia-oxidizing archaea with C. nucula indicate a high complexity of possible
interactions not only between sponge and associated bacteria but also within the associated
bacterial community. High sequence similarities between sponge-derived and seawater-derived
16S rDNA sequences reflect filter-feeding by sponges and emphasise the need for
comparative controls. However, distinct bacterial communities associated with two different
sponge-species living in close proximity in their natural habitat demonstrate low impact of the
ambient seawater for sponge-bacteria associations. The bacterial populations in the two model
organisms differed in community structure and diversity. Bacterial sequences obtained from
C. nucula were affiliated to other sponge-derived sequences in large parts (79%), while only
a minor fraction (22%) of T. aurantium-associated phylotypes shared similarity with known
sponge-associated bacteria. Further, comparison of cortex and endosome revealed spatial
differences in the T. aurantium-associated bacterial community.
Antimicrobially active bacteria were isolated from different sponges, demonstrating
that cultivable sponge-associated bacteria exhibit a high potential for the search of new
antimicrobial substances with biotechnological application. The cultivable bacterial
communities associated with at least six different sponges were found to be dominated by a
single alphaproteobacterial phylotype revealing antimicrobial activity. Kind of association,
specificity as well as way of acquisition is still uncertain and critically discussed in this study.
1 ZUSAMMENFASSUNG
ZUSAMMENFASSUNG
In der vorliegenden Arbeit wurden Assoziationen mariner Bakterien mit Schwämmen
und das antimikrobielle Potential dieser schwamm-assoziierten Bakterien untersucht.
Diversität, Spezifität und Stabilität der Assoziationen wurden mithilfe molekularbiologischer
Methoden untersucht, während das antimikrobielle Potential assoziierter Bakterien
verschiedener Mittelmeerschwämme mittels Isolationsmethoden bestimmt wurde. Am
Beispiel der Mittelmeerschwämme Chondrilla nucula und Tethya aurantium wurden assoziierte
bakterielle Gemeinschaften sogenannter ‘Bakterienschwämme’ und ‘bakterien-freier’
Schwämme studiert. Es wurden stabile, spezifische bakterielle Assoziationen in beiden
Schwämmen nachgewiesen. Dies deutet darauf hin, dass Schwämme unter natürlichen
Bedingungen regelmäßig mit Bakterien in Assoziation leben und es keine ‘bakterien-freien’
Schwämme gibt.
Schwämme können als bakterieller Lebensraum bezeichnet werden und fungieren
nicht ausschließlich als Partner oder Wirt spezifischer Assoziationen. Sowohl Bdellovibrio-
ähnliche Deltaproteobakterien als auch möglicherweise Ammonium-oxidierende Archaea
wurden in Assoziation mit C. nucula nachgewiesen und deuten auf eine komplexe bakterielle
Gemeinschaft hin, die eine Vielzahl verschiedener Interaktionen nicht nur zwischen
Schwamm und Bakterium, sondern auch zwischen assoziierten Mikroorganismen beinhaltet.
Da Schwämme filtrierende Tiere sind, dringen Bakterien des Umgebungswassers mit dem
Wasser in das Kanalsystem der Schwämme ein. Jedoch weisen die bakteriellen
Gemeinschaften unterschiedlicher Schwämme des gleichen Habitats deutliche Unterschiede
auf. Dies deutet darauf hin, dass die gefundenen bakteriellen Gemeinschaften schwammart-
spezifisch sind und der Einfluss des umgebenden Meerwassers gering ist. Die bakteriellen
Gemeinschaften der untersuchten Schwämme unterscheiden sich sowohl in der
Zusammensetzung als auch in der Diversität spezifisch assoziierter Bakterien. In C. nucula
weisen 79% der bakteriellen Sequenzen Ähnlichkeit zu bekannten schwamm-assoziierten
Bakterien auf, während es in T. aurantium nur 22% sind. Ferner wurde in T. aurantium eine
räumliche Verteilung der bakteriellen Gemeinschaft innerhalb des Schwammes nachgewiesen.
Schwamm-assoziierte Bakterien stellen ein hohes Potential zur Isolierung neuer
Substanzen für die biotechnologische Nutzung dar. Antimikrobiell wirksame Bakterien
wurden aus unterschiedlichen Mittelmeerschwämmen als dominante Arten der kultivierbaren
bakteriellen Gemeinschaft isoliert. In mindestens sechs unterschiedlichen Schwämmen
dominierte ein einziger Phylotyp aus der Gruppe der Alphaproteobakterien mit
2 ZUSAMMENFASSUNG
antimikrobiellen Eigenschaften die assoziierte Gemeinschaft. Art der Assoziation, Spezifität
und Art der Aufnahme in den Schwamm sind noch unbekannt und werden in dieser Arbeit
kritisch diskutiert.
3 GENERAL INTRODUCTION
GENERAL INTRODUCTION