title: Untersuchung der Keimung und des Auswachsens von Bacillus subtilis Sporen unter salinen Umweltbedingungen
title: Analysis of Bacillus subtilis spore germination and outgrowth in high-salinity environments
title: Untersuchung der Keimung und des Auswachsens von Bacillus subtilis Sporen unter salinen Umweltbedingungen
Creators: name: Nagler, Katja
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: salt stress
Astrobiologie , Bodenökologie
Bacillus subtilis
Bakterien
Salzstress
Sporen
Mikrobiologie
Bacillaceae , Keimung
Spore germination, outgrowth
Lebensmittelmikrobiologie
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
high salinity

description: In Folge von Nährstoffverknappung
      kann das Bodenbakterium Bacillus subtilis resistente,
      metabolisch inaktive Sporen bilden. Diese Sporen bestehen aus
      einem dehydrierten Sporenkern der das Sporengenom enthält,
      umschlossen von einer inneren Sporenmembran, einer
      Keimzellwand und einem Cortex aus Peptidoglycan, einer
      äußeren Sporenmembran und einer mehrlagigen Protein-Schicht
      (‚Coat‘). Wenn bestimmte Nährstoffe (‚Keimungsinduktoren‘)
      verfügbar werden, können sie an Keimungsrezeptoren in der
      inneren Sporenmembran binden. Dies induziert die
      Spore-Reaktivierung, welche sich aus einer Keimungsphase und
      einer Auswachsphase (‚Outgrowth‘) zusammensetzt. Während der
      Keimung verlieren Sporen ihre Resistenzen, ersetzen die Ionen
      und das Ca2+-Dipicolinat (Ca2+-DPA) des Sporenkerns mit
      Wasser (Kern-Rehydrierung) und hydrolysieren ihren Cortex.
      Wenn der Wassergehalt des Kerns hoch genug für
      Enzymaktivitäten ist, wird der Metabolismus reaktiviert. Dies
      kennzeichnet den Beginn der Auswachsphase, während welcher
      sich die gekeimten Sporen molekular reorganisieren und ihr
      Elongationswachstum beginnt. Wie sich hohe
      Salzkonzentrationen und osmotischer Stress auf die
      Sporen-Reaktivierung auswirken war bisher kaum erforscht,
      obwohl dieses Themengebiet für Grundlagenforschung,
      Lebensmittelmikrobiologie, Bodenökologie und Astrobiologie
      relevant ist. Daher wurden im Rahmen dieser Doktorarbeit die
      Auswirkungen von Salzstress auf die Bacillus
      Sporen-Reaktivierung mit Hauptaugenmerk auf die Keimung von
      B. subtilis in Gegenwart hoher NaCl Konzentrationen
      untersucht. Im Allgemeinen wirkten sich steigende
      Salzkonzentrationen zunehmend negativ auf die Keimung aus,
      obwohl ein Teil der Sporen trotz hoher Salinität die Keimung
      initiierte. In der Gegenwart von hohen NaCl Konzentrationen
      (≥ 1.2 mol/L) keimten B. subtilis Sporen verspätet,
      langsamer, heterogener und ineffizienter. Auch andere Salze
      inhibierten die Keimung, doch ihre inhibitorische Stärke
      variierte stark in Abhängigkeit von der jeweiligen
      Ionenkonzentration, der Art und Kombination der Ionen und den
      chemischen Eigenschaften des Salzes. Obwohl dies
      unterstreicht, dass ionischer Stress eine Rolle in der
      Inhibition spielt, hatten hohe Konzentrationen
      nicht-ionischer, osmotisch wirksamer Solute eine ähnlich
      inhibitorische Wirkung wie NaCl-Lösungen mit äquivalenter
      Osmolarität. Somit ist osmotischer Stress eine wesentliche
      Determinante der Keimungsinhibition durch NaCl.
      Interessanterweise keimten Sporen mit Coat-Defekten in der
      Gegenwart von NaCl noch wesentlich schlechter als intakte
      Sporen, nicht jedoch in der Gegenwart nicht-ionischer Solute.
      Dies legt nahe, dass der Coat (möglicherweise zusammen mit
      der äußeren Sporenmembran) eine wichtige Funktion zum Schutz
      der unterliegenden Sporenstrukturen (d.h. Cortex,
      Keimzellwand, Keimungsapparat und innere Sporenmembran) vor
      ionischem Stress besitzt. Basierend auf diesen Beobachtungen
      wurde im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit das erste
      mechanistische Modell zur Keimungsinhibition durch Salzstress
      erarbeitet. Laut diesem Modell erschweren ionische
      Interaktionen mit dem Keimungsinduktor und/oder dem Coat die
      Diffusion des Induktors zu den Rezeptoren in der inneren
      Sporenmembran, so dass die Keimung verspätet ausgelöst wird.
      Im Anschluss behindert osmotischer Stress die
      Kern-Rehydrierung und den damit verknüpften Ca2+-DPA Efflux,
      was den Gesamtprozess der Keimung verlangsamt. Obwohl eine
      metabolische Reaktivierung von Sporen selbst in der Gegenwart
      von 4.8 mol/L NaCl noch messbar war, konnte Outgrowth im
      Sinne von Elongation bis zu einer NaCl Konzentration von 2.4
      mol/L in nährstoffreichem Medium beobachtet werden. Eine
      Transkriptom-Analyse Salz-gestresster, auswachsender Sporen
      zeigte viele Ähnlichkeiten zur Stress-Antwort kontinuierlich
      gestresster vegetativer Zellen. So wurde unter anderem das
      gesamte genetische Repertoire zur Synthese und Aufnahme
      kompatibler Solute induziert. Zusammenfassend konnte im
      Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit das erste mechanistische
      Modell zur Keimungsinhibition durch Salzstress erarbeitet und
      die erste umfassende Transkriptom-Studie zur
      Salzstress-Antwort auswachsender Sporen durchgeführt werden.
      Diese Ergebnisse geben neue Einblicke in die Auswirkungen von
      Salzstress auf den Lebenszyklus von B. subtilis und könnten
      für die obengenannten Forschungsgebiete von angewandtem
      Nutzen sein.
description: Upon nutrient depletion, the soil
      bacterium Bacillus subtilis can form highly resistant,
      metabolically dormant spores. Spores consist of a dehydrated
      core (harboring the spore genome) enveloped in an inner spore
      membrane, a peptidoglycan germ cell wall and cortex, an outer
      spore membrane, and a proteinaceous coat. When specific
      nutrients (‘germinants’) become available again, they can
      bind to germinant receptors in the inner spore membrane and
      induce spore revival, consisting of a germination and an
      outgrowth phase. During germination, spores lose their
      resistance, release ions and Ca2+-dipicolinate (Ca2+-DPA)
      from the core in exchange for water (‘core rehydration’), and
      hydrolyze their cortex. When core rehydration is sufficient
      to allow enzymatic activity, metabolism is re-activated. This
      hallmarks the beginning of the outgrowth phase, during which
      spores undergo molecular reorganization and elongate. The
      effects of high salt concentrations and osmotic stress on
      spore revival were previously poorly investigated, although
      this topic is relevant for basic research, food microbiology,
      soil ecology, and astrobiology. Therefore, in this doctoral
      thesis, the impact of high salinity on Bacillus spore revival
      was examined, primarily focusing on B. subtilis spore
      germination in the presence of high NaCl concentrations. In
      general, increasing salt concentrations exerted increasingly
      detrimental effects on germination, although some spores
      initiated germination despite very high salinities. In the
      presence of high NaCl concentrations (≥ 1.2 mol/L), B.
      subtilis spore germination was delayed, slower, more
      heterogeneous, and less efficient. Other salts also inhibited
      germination, although their inhibitory strength varied
      depending on ion concentrations, ionic species (and their
      combination), and the chemical properties of the salt.
      Although ionic stress was indeed an important factor, high
      concentrations of non-ionic osmotic solutes had similar
      inhibitory strengths as iso-osmotic NaCl concentrations,
      suggesting that osmotic stress plays a decisive role in
      NaCl-inhibition. Strikingly, spores having strong coat
      defects showed exacerbated inhibition by NaCl but not by
      non-ionic solutes, indicating an important role of the spore
      coat (possibly in combination with the outer spore membrane)
      in protecting the subjacent inner spore structures (i.e.
      cortex, germ cell wall, germination apparatus, and inner
      spore membrane) from ionic stress. Based on these findings, a
      first mechanistic model for germination inhibition by high
      salinity is proposed. In this model, ionic interactions with
      the germinant and/or spore coat slow germinant passage to the
      germinant receptors, thereby delaying germination initiation.
      Subsequently, osmotic inhibition of core rehydration and
      concomitant Ca2+-DPA release slows germination after its
      initiation. While metabolic reactivation was observable at up
      to 4.8 mol/L NaCl, successful outgrowth in terms of
      elongation was observable at up to 2.4 mol/L NaCl, but only
      under nutrient-rich conditions. Transcriptomic analyses of
      salt-stressed outgrowing spores indicated many similarities
      to vegetative cells exposed to sustained high salinity,
      including the induction of B. subtilis’ complete genetic
      repertoire of osmoprotectant uptake and compatible solute
      synthesis. Taken together, this doctoral thesis yielded the
      first mechanistic model for inhibitory high-salinity effects
      on B. subtilis spore germination as well as the first
      comprehensive transcriptomics study of the salt stress
      response of outgrowing B. subtilis spores. These results
      contribute to the basic understanding of the influence of
      salt on B. subtilis’ life cycle, and are valuable for the
      aforementioned applied research fields as well.