title: The gut microbiota of the blattid cockroach Shelfordella lateralis
title: The gut microbiota of the blattid cockroach Shelfordella lateralis
title: Die Darmmikrobiota der blattiden Schabe Shelfordella lateralis
Creators: name: Schauer, Christine
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: cockroach
Darm
Biowissenschaften, Biologie
Schaben Darmmikrobiota
Schaben
gut microbiota

description: This thesis focuses on the
      conditions prevailing in the gut compartments of the
      cockroach Shelfordella lateralis and gives new insights into
      the composition of associated bacterial, archaeal and
      eukaryotic microorganisms. While the symbiotic gut microbiota
      of termites has been focused by many studies due to its
      cellulolytic function, the gut microbiota of the others
      members of the order Dictyoptera, cockroaches and mantis,
      remained mostly unexamined. Therefore, the gut microbiota of
      the blattid cockroach S. lateralis was characterized via
      molecular techniques, including a deep pyrosequencing
      approach. Crop and midgut were in all individuals mainly
      colonised by lactic acid bacteria and Bacteroidetes. This was
      also in agreement with the high lactate concentrations found
      in these compartments, which was consistent over all analysed
      individuals. By contrast, the bacterial composition of the
      hindgut, including colon and rectum, differed strongly
      between individuals. The colon, as hotspot of bacterial
      diversity, harboured mainly members of Bacteroidetes,
      Firmicutes as well as δ-Proteobacteria. A large proportion of
      clones belonged to groups isolated from anaerobic
      environments, for example Clostridia, reflecting the anoxic
      center detected within each gut compartment. Spirochaetes and
      Fibrobacteres, assumed to carry out cellulose digestion in
      higher termites, were not detected via Sanger sequencing, but
      showed a low abundance in pyrosequencing approach, reflecting
      the omnivorous diet of S. lateralis. A third of clones
      clustered with sequences previously obtained from the termite
      gut, reflecting the common evolutionary history of
      cockroaches and termites. Different diets (chicken feed as
      balanced, soy as protein-rich and bran and bran- cellulose as
      fiber-rich diets) were used to examine the influence of diet.
      A possible dietary impact was masked by the large degree of
      individual variation. In ordination analysis, the colonal
      fingerprinting profiles of individuals showed a tendency to
      cluster after diets, but the effect of housing environment
      was overlaid, indicating that the available pool of bacteria
      for gut microbiota acquisition plays a superior role.
      Pyrosequencing analysis detected no differences in gut
      microbial composition, but found nine additional phyla, which
      were less abundant in all diets and so counted to the rare
      phyla. Analysis of bacterial community structure by
      terminal-restriction-fragment length polymorphism and 454
      pyrotagsequencing of 16S rRNA genes revealed a high
      individual variability but little impact of diet, suggesting
      that cockroaches are able to maintain a gut microbiota that
      is insensitive to dietary shifts. This was also supported by
      the results that volatile fatty acid concentrations were not
      significantly changed by different diets. Methanogenesis in
      arthropods is limited in occurrence to few taxa, namely
      termites, scarab beetles, millipedes and cockroaches. In this
      study, most individuals emitted methane. Some individuals
      emitted only detectable amounts of methane after stimulation
      with hydrogen. Two species of methanogenic archaea were found
      in the hindgut, namely Methanomicrococcus blatticola and an
      uncultivated Methanobrevibacter. The relative abundance of
      both types was quite variable in cockroaches with and without
      methane emission. Ciliates observed in the cockroach hindgut
      belonged to Nyctotherus ovalis and were associated
      endosymbiotic with uncultivated Methanobrevibacter. Diet had
      no impact on methane emission rates, but hydrogen was
      significantly higher in individuals fed a high fiber diet.
      Chicken feed fed individuals had the highest increase in
      methane emission after hydrogen stimulation, whereas
      individuals fed a high fiber diet showed a low or negative
      response of the methane emission rate. In all different
      diets, individuals not capable of methane emission were
      found.
description: Die vorliegende Arbeit befasst
      sich mit dem Darm, seiner Physiology und der assoziierten
      Mikrobiota anhand der Schabe Shelfordella lateralis. Während
      die symbiotische Darmmikrobiota von Termiten in vielen
      Studien wegen ihrer Fähigkeit des Zelluloseabbaus untersucht
      wurde, existieren kaum molekulare Daten über die
      Darmmikrobiota anderer Mitglieder der Ordnung Dictyoptera,
      nämlich Schaben (Blattodea) und Gottesanbeterinnen
      (Mantodea). Das grundlegende Ziel dieser Arbeit war daher die
      Charakterisierung der Darmmikrobiota der Schabenart S.
      lateralis (Blattidae) anhand molekularer Techniken,
      einschließlich der hochauflösender Pyrosequenzierung. Kropf
      und Mitteldarm waren in allen Individuen hauptsächlich von
      Milchsäurebakterien und Bacteroidetes besiedelt. Diese
      Beobachtung stimmte mit der hohen Laktatkonzentration in
      diesen Darmabschnitten überein, welche in allen Tieren
      gemessen wurde. Im Gegensatz dazu unterschied sich die
      Bakterienzusammensetzung von Dick- und Enddarm stark zwischen
      Individuen. Der Dickdarms, als sogenannter „Hotspot“ der
      bakteriellen Diversität, war überwiegend von Bacteroidetes,
      Firmicutes und Deltaproteobakterien besiedelt. Viele dieser
      Bakterien gehören zu Gruppen welche typisch für anaerobe
      Habitate sind, zum Beispiel Vertreter der Klasse der
      Clostridia, was die anaeroben Zentren widerspiegelt welche
      für jeden Darmabschnitt gezeigt wurden. Spirochaetes und
      Fibrobacteres, welche als die Zellulose abbauenden Gruppen
      innerhalb der höheren Termiten vermuten werden, konnten durch
      die Sequenzierung nach Sanger nicht nachgewiesen werden,
      wurden aber in niedriger Anzahl durch die Pyrosequenzierung
      nachgeweisen, was die omnivore Ernährung dieser Schabenart
      wiederspiegelt. Trotz der unterschiedlichen Ernährungsweise
      fielen 30 % der Sequenzen in Kluster, die ausschließlich aus
      Termitendarmsequenzen bestanden, welches die gemeinsame
      evolutionäre Entwicklung von Schaben und Termiten aus einem
      gemeinsamen Vorfahren wiederspiegelt. Unterschiedliche
      Nahrung (Hühnerfutter als ausgewogene Ernährung, Soyaschrot
      als proteinreiche Nahrung, und Kleie und Kleie mit
      Zellulosezusatz als faserreiche Nahrung) wurde benutzt, um
      den Einfluß von Nahrung auf die Zusammensetzung der
      Darmmikrobiota zu untersuchen. Ein möglicher Einfluß der
      Nahrung wurde durch individuelle Variabilität überlagert.
      Ordinationsanalysen der Darmprofile klustern nach Nahrung,
      welchem aber ein stärkeres Klustern nach Herkunft aus einem
      bestimmten Haltungsumgebung zugrundelag. Das deutet auf die
      Wichtigkeit der aus der Umwelt verfügbaren Bakterien, aus
      denen die Darmmikrobiota rekrutiert wird und anscheinend
      einen wesentlicheren Einfluß auf ihre Endzusammensetzung hat
      als die Art der Nahrung. Die Pyrosequenzierung zeigte
      ebenfalls keine großen Unterschiede in der Darmmikrobiota,
      brachte aber neun zusätzlich Phyla zu Tage, welche in
      sämtlichen Nahrungsgruppen zahlenmäßig sehr gering waren und
      somit zu den spärlich vertretenen Phyla gezählt wurden.
      Übereinstimmend wurde durch beide molekulare Methoden
      gezeigt, dass die Schabendarmnikrobiota starken individuellen
      Schwankungen unterliegt, auf die unterschiedliche Nahrung
      keinen großen Einfluß zu haben scheint. Damit übereinstimmend
      wurden auch keine Unterschiede in der Konzentration
      kurzkettiger Fettsäuren gefunden. Methanogenese in
      Arthropoden ist auf wenige Arten beschränkt, namentlich
      Termiten, Blatthornkäfer (die sogenannten Pillendreher),
      Tausendfüßler und Schaben. In dieser Studie produzierten die
      meisten Individuen Methan, aber einige produzierten nur nach
      einer Zugabe von Wasserstoff detektierbare Mengen von Methan.
      Es wurden zwei Arten methanogener Archeen im Dickdarm
      gefunden, Methanomicrococcus blatticola und ein noch
      unkultivierter Vertreter der Methanobrevibacter. Dabei wurden
      keine Unterschiede in der Zusammensetzung dieser zwischen
      Methan produzierenden und nicht Methan produzierenden Schaben
      gefunden. Die im Dickdarm beobachteten Ciliaten gehörten zu
      der Spezies Nyctotherus ovalis. Die mit ihnen assoziierten
      Archeen wurden als uncultivierte Vertreter der
      Methanobrevibacter identifiziert. Dabei wurde für S.
      lateralis gezeigt, dass Nahrung keinen Einfluß auf die Menge
      des ausgestossenen Methans hatte, jedoch waren die gemessenen
      Wasserstoffkonzentrationen in den Kleie gefütterten Tieren am
      höchsten. Tiere die mit Hühnerfutter gefütter wurden zeigten
      den stärksten Anstieg in Methan Emission nach einer
      Inkubation mit Wasserstoff, wogegen Tiere die mit einer
      faserreichen Nahrung gefüttert wurden, keinen Anstieg der
      Methanemission zeigten oder sogar weniger Methan ausstießen.
      In allen Nahrungsgruppen wurden Tiere gefunden, die nicht zur
      Methanproduktion befähigt waren.