title: Die Darmmikrobiota der Schabe Shelfordella lateralis Erstbesiedlung, Sukzession und metabolische Antwort auf Mikroumweltbedingungen
title: The gut microbiota of the cockroach Shelfordella lateralis Primary colonization, succession, and metabolicresponse to microenvironmental conditions
Creators: name: Tegtmeier, Dorothee
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Sauerstoff
Mikroflora
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
Stoffwechsel
Methan
Gut microbiota , cockroach
Fermentation
gnotobiotic
Sukzession
succession
Darm
metabolism
Insekten , Bakterien

description: Schaben und Termiten, beherbergen
      komplexe mikrobielle Gemeinschaften in ihrem Verdauungstrakt.
      Die Darmmikrobiota besteht aus unterschiedlichen mikrobiellen
      Gilden z.B. gärende Bakterien, methanogene Archaeen und
      Protisten, die ein metabolisches Netzwerk im Darm bilden.
      Während die Darmmikrobiota von Termiten seit Jahrzehnten
      intensiv untersucht wird, ist nur wenig über die mikrobiellen
      Gemeinschaften in Schaben, insbesondere über die
      Erstbesiedelung des Darms, die Sukzession und Interaktionen
      der Darmmikroorganismen bekannt. Um die Sukzession der
      Darmmikrobiota im Laufe der Entwicklung der Schabe zu
      untersuchen, habe ich die bakterielle Zusammensetzung mittels
      Hochdurchsatz-Sequenzierung sowie Stoffwechselprodukte in
      verschiedenen Larvenstadien der Schabe Shelfordella lateralis
      analysiert. Schaben des ersten Larvenstadiums wurden häufig
      von aeroben oder aerotoleranten, Lactat produzierenden
      Bakterien (z.B. Enterobacteriaceae, Enterococcaceae und
      Lactobacillaceae) besiedelt, was von einer Lactatakkumulation
      im Darm begleitet wurde. Im Gegensatz dazu, waren Schaben ab
      dem zweiten Larvenstadium bis zum Adultstadium von obligat
      anaeroben Bakterien (z.B. Ruminococcaceae, Lachnospiraceae
      and Rikenellaceae) besiedelt. Während Schaben des ersten
      Larvenstadiums keine Methanemission aufwiesen, zeigten die
      anderen Larvenstadien geringe und adulte Schaben hohe
      Methanemissionsraten. Wasserstoffemissionsraten hingegen
      gingen im Laufe der Entwicklung der Schabe zurück, was z.T.
      durch eine Wasserstoffzehrung der methanogenen Archaeen zu
      erklären ist. Schaben, die in Isolation aufgewachsen sind,
      zeigten keine Methanemission, jedoch eine ähnliche
      Darmmikrobiota wie konventionelle Schaben. Dies ist
      vermutlich darauf zurückzuführen, dass die meisten
      Mikroorganismen aus der direkten Umgebung aufgenommen werden,
      methanogene Archaeen jedoch über Koprophagie übertragen
      werden. Mikrosensor-Messungen ergaben, dass im Enddarm aller
      Schaben, mit Ausnahme des ersten Larvenstadiums, anoxische
      Bedingungen herrschen, was darauf schließen lässt, dass
      Sauerstoff die mikrobielle Besiedlung des Darms im ersten
      Larvenstadium stark beeinflusst. Die Unterschiede zwischen
      dem ersten Larvenstadium und späteren Stadien deuten darauf
      hin, dass der Aufbau der Darmmikrobiota nach stochastischen
      Ereignissen erfolgt und sich die Zusammensetzung der
      Mikrobiota abhängig vom Sauerstoff-Status des Darms
      verändert. Während die Zusammensetzung der Darmmikrobiota für
      viele Insektenarten schon ausführlich untersucht wurde, fehlt
      uns immer noch ein mechanistisches Verständnis über die
      Stoffwechselaktivitäten und Interaktionen der einzelnen
      Bakterienpopulationen. Für eine detaillierte
      Charakterisierung der Mikroorganismen werden Reinkulturen
      benötigt. Allerdings sind die Bakterien im Darm völlig
      anderen Bedingungen ausgesetzt als in Reinkultur. Daher sind
      Studien nötig, welche prüfen, in wie weit die
      Stoffwechselleistungen der Reinkulturen auch ihre Aktivitäten
      in ihrem natürlichen Standort widerspiegeln. Wir haben die
      Schabe Shelfordella lateralis als gnotobiotisches
      Modellsystem etabliert, um Stoffwechsel und biotische
      Interaktionen einzelner Bakterienpopulationen unter
      in-situ-Bedingungen zu untersuchen. Keimfreie Schaben wurden
      erfolgreich mit den autochthonen Stämmen EbSL (ein fakultativ
      anaerober Stamm aus der Familie der Enterobacteriaceae) und
      FuSL (ein obligat anaerober Fusobacterium-Stamm) besiedelt.
      In Monoassoziation haben beide Stämme den Darm in hoher
      Dichte besiedelt, allerdings waren die Populationsgrößen von
      Stamm FuSL niedriger als die von Stamm EbSL. Weiterhin waren
      Populationsgrößen von Stamm FuSL in Diassoziation mit Stamm
      EbSL wesentlich niedriger als in Monoassoziation. Obwohl
      Stamm EbSL den Sauerstoff im Darm fast komplett verbraucht
      hat, hat die Vorbesiedlung mit dem fakultativ anaeroben Stamm
      die Besiedlung mit dem obligat anaeroben Stamm nicht
      begünstigt. Die Ergebnisse zeigen, dass Stamm FuSL von Stamm
      EbSL aus dem Darm verdrängt wird, vermutlich weil der
      fakultativ anaerobe Stamm besser die oxischen Bereiche des
      Darms besiedeln kann. Ein Vergleich der Gärprodukte der
      Stämme in vitro mit denen in situ zeigte, dass die Umgebung
      im Darm den Stoffwechsel beider Stämme stark beeinflusst.
      Während Kulturen von Stamm EbSL und FuSL die typischen
      Produkte einer gemischten Säuregärung oder Buttersäuregärung
      bildeten, akkumulierten in den Därmen der gnotobiotischen
      Schaben Lactat und Acetat. Solche Verschiebungen hin zum
      Acetat oder Lactat wurden in vitro bestätigt, wenn die
      Kulturen Sauerstoff oder hohen Glucosekonzentrationen,
      Bedingungen ähnlich wie im Darm der keimfreien Schaben,
      ausgesetzt wurden. Um weitere Kenntnisse über bislang
      unkultivierte Vertreter der anaeroben bakteriellen
      Gemeinschaft im Darm von S. lateralis und anderen Insekten zu
      gewinnen, haben wir weitere Mitglieder aus deren
      Darmmikrobiota isoliert und die Ultrastruktur, Physiologie
      und Metabolismus der Stämme im Detail untersucht. Bei den
      Isolaten handelt es sich um strikt anaerobe oder moderat
      aerotolerante Vertreter von neuen Gattungen in den Familien
      Erysipelotrichaceae sowie Opitutaceae, welche einen
      fermentativen Metabolismus aufweisen. Während erstere (die
      Stämme ErySL und Pei061) die typischen Produkte einer
      gemischten Säuregärung bildeten, vergärte letzterer (Stamm
      Ho45) Glucose zu Propionat und Acetat. Sauerstoff- und
      Glucosekonzentration im Medium beeinflussten deutlich das
      Wachstum und die Gärung der neuen Isolate. Da die nächsten
      Verwandten der neuen Isolate in der Literatur
      fälschlicherweise als aerob oder mikroaerophil beschrieben
      wurden, haben wir die Beschreibung der Familie
      Erysipelotrichaceae und der Gattung Diplosphaera
      (Opitutaceae) überarbeitet.
description: Cockroaches and their closest
      relatives, the termites, have a highly complex gut microbiota
      consisting of different microbial guilds, e.g. fermenting
      bacteria, methanogenic archaea and protists, which form a
      metabolic network within the gut. While the microbiota of
      termites has been studied for decades, little is known about
      the cockroach gut microbiota, especially about the primary
      colonization, the succession and metabolic interactions of
      gut microorganisms. In order to investigate successive
      changes of the cockroach gut microbiota during host
      development, I analyzed the bacterial community composition
      (using high throughput sequencing of the 16S rRNA gene) and
      major metabolites in different instars of Shelfordella
      lateralis. First instar nymphs were often colonized by
      aerobic or oxygen-tolerant, lactate-producing taxa (e.g.
      Enterobacteriaceae, Enterococcaceae and Lactobacillales),
      which was associated with a strong lactate accumulation in
      the gut. By contrast, cockroaches from second instar to
      adulthood where consistently colonized by anaerobic taxa
      (e.g. Ruminococcaceae, Lachnospiraceae and Rikenellaceae).
      Methane emission of living cockroaches was absent in the
      first instar, relatively low in all other instars but high in
      adults. For hydrogen emission I found an opposite trend:
      Emission rates decreased during cockroach development,
      suggesting an increase in hydrogen consumption by
      methanogens. Cockroaches that were reared in isolation showed
      no methane emission but a similar gut microbiota than
      conventional ones, indicating that the majority of the
      microorganisms are acquired from the environment, whereas
      methanogens are likely transferred via coprophagy.
      Microsensor measurements revealed anoxic conditions in the
      hindguts of all but the first instar, which suggests that
      oxygen is an important factor shaping the microbiota of the
      first instar. The strong differences in gut microbiota and
      metabolism between first and later instars indicate that the
      microbiota is assembled by stochastic events and altered
      depending on the oxygen status of the gut. The results
      further show that those microorganisms colonize the gut that
      are picked up from the environment and are favored by the
      conditions in the gut. While the composition of the gut
      microbiota has been studied in detail for many insects, a
      mechanistic understanding of the metabolic activities and
      interactions among individual microbes is still lacking. A
      detailed characterization of gut microorganisms requires pure
      cultures. However, bacteria are exposed to unique
      microenvironmental conditions in the gut that differ
      fundamentally from those in pure culture. Therefore, studies
      that investigate how far the metabolic properties of pure
      cultures (in vitro) reflect their activities in their natural
      environment (in situ) are of particular interest. We
      established the cockroach Shelfordella lateralis as a
      gnotobiotic model in order to examine metabolic activities
      and biotic interactions of individual bacterial populations
      under in situ conditions. Germ-free cockroaches were
      successfully colonized with the autochthonous strains EbSL (a
      facultatively anaerobic species of Enterobacteriaceae) and
      FuSL (an obligately anaerobic Fusobacterium sp.). When
      monoassociated, both strains grew to high density, but
      population sizes of strain EbSL were higher than that of
      strain FuSL. In diassociation however, the population size of
      strain FuSL was even smaller than in monoassociation.
      Although microsensor measurements showed that strain EbSL
      completely consumed the oxygen in the gut, precolonization
      with the facultative anaerobe did not favor colonization by
      the obligate anaerobe. The results showed that strain FuSL is
      outcompeted by strain EbSL, possibly due to a better
      colonization success of the facultative anaerobe in the oxic
      zones of the gut. Comparison of the fermentation products of
      the cultures formed in vitro with those accumulated in situ
      indicated that the gut environment strongly affected
      metabolic activities of both strains. Pure cultures of
      strains EbSL and FuSL formed the typical products of
      mixed-acid or butyrate fermentation, whereas guts of
      gnotobiotic cockroaches accumulated mostly lactate and
      acetate. Shifts towards acetate or lactate were also
      confirmed in vitro when pure cultures were exposed to oxygen
      or high glucose concentrations (respectively), conditions
      similar to those present in the hindguts of germ-free
      cockroaches. In order to gather more information about
      hitherto uncultivated representatives of the obligately
      anaerobic bacterial community in the guts of S. lateralis and
      other insects, we isolated further members of their gut
      microbiota and described the ultrastructure, physiology and
      metabolism of the strains in detail. The novel isolates are
      strictly anaerobic or slightly aerotolerant representatives
      of new genera of Erysipelotrichaceae (Firmicutes) and
      Opitutaceae (Verrucomicrobia) and have a purely fermentative
      metabolism. While former (strains ErySL and Pei061) showed
      products of a typical mixed acid fermentation, the latter
      (strain Ho45) fermented glucose to propionate and acetate.
      Growth and fermentations of the novel isolates were strongly
      influenced by oxygen and glucose concentrations in the
      medium. Since the closest relatives of the novel isolates
      were incorrectly described as aerobic or microaerophilic in
      the literature, we provide an emended description of the
      family Erysipelotrichaceae and the genus Diplosphaera
      (Opitutaceae).