Rhopalodia

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Maier Uwe-g. - One of the best experts on this subject based on the ideXlab platform.

  • Nitrogen fixation in eukaryotes – New models for symbiosis
    BioMed Central, 2007
    Co-Authors: Kneip Christoph, Lockhart Peter, Voß Christine, Maier Uwe-g.
    Abstract:

    BACKGROUND: Nitrogen, a component of many bio-molecules, is essential for growth and development of all organisms. Most nitrogen exists in the atmosphere, and utilisation of this source is important as a means of avoiding nitrogen starvation. However, the ability to fix atmospheric nitrogen via the nitrogenase enzyme complex is restricted to some bacteria. Eukaryotic organisms are only able to obtain fixed nitrogen through their symbiotic interactions with nitrogen-fixing prokaryotes. These symbioses involve a variety of host organisms, including animals, plants, fungi and protists. RESULTS: We have compared the morphological, physiological and molecular characteristics of nitrogen fixing symbiotic associations of bacteria and their diverse hosts. Special features of the interaction, e.g. vertical transmission of symbionts, grade of dependency of partners and physiological modifications have been considered in terms of extent of co-evolution and adaptation. Our findings are that, despite many adaptations enabling a beneficial partnership, most symbioses for molecular nitrogen fixation involve facultative interactions. However, some interactions, among them endosymbioses between cyanobacteria and diatoms, show characteristics that reveal a more obligate status of co-evolution. CONCLUSION: Our review emphasises that molecular nitrogen fixation, a driving force for interactions and co-evolution of different species, is a widespread phenomenon involving many different organisms and ecosystems. The diverse grades of symbioses, ranging from loose associations to highly specific intracellular interactions, might themselves reflect the range of potential evolutionary fates for symbiotic partnerships. These include the extreme evolutionary modifications and adaptations that have accompanied the formation of organelles in eukaryotic cells: plastids and mitochondria. However, age and extensive adaptation of plastids and mitochondria complicate the investigation of processes involved in the transition of symbionts to organelles. Extant lineages of symbiotic associations for nitrogen fixation show diverse grades of adaptation and co-evolution, thereby representing different stages of symbiont-host interaction. In particular cyanobacterial associations with protists, like the Rhopalodia gibba-spheroid body symbiosis, could serve as important model systems for the investigation of the complex mechanisms underlying organelle evolution

  • Sphaeroidkörper der Diatomee Rhopalodia gibba – Obligate Endosymbionten zur molekularen Stickstofffixierung
    Philipps-Universität Marburg Biologie, 2004
    Co-Authors: Kneip Christoph, Maier Uwe-g.
    Abstract:

    Die Diatomee Rhopalodia gibba enthält - neben den typischen Organellen von Heterokontophyten, Mitochondrien und einer kompexen Plastide – ungewöhnliche Einschlüsse, welche als Sphaeroidkörper bezeichnet werden. Morphologische Untersuchungen führten zur Vermutung, dass es sich bei diesen Sphaeroidkörpern um Endosymbionten bakterieller Herkunft handeln könnte. Des Weiteren wurde ein Zusammenhang zwischen den Einschlusskörpern und der bei R. gibba beobachteten Fähigkeit zur Fixierung von molekularem Stickstoff diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Sphaeroidkörper von R. gibba näher charakterisiert und ihre Funktion innerhalb der Diatomee aufgeklärt werden. Hierzu wurden intakte Sphaeroidkörper aus Diatomeenzellen isoliert und aufgereinigt. Aus diesen Fraktionen konnte DNA präpariert und mittels molekularbiologischer sowie histologischer Analysen den Sphaeroidkörpern zugeordnet werden. Die Identifizierung eines Sphaeroidkörper-Genoms konnte damit die organismische Herkunft der Einschlusskörper und deren endosymbiontische Natur bestätigen. Durch phylogenetische Untersuchungen von Sphaeroidkörper-spezifischen Genen wurde das einzellige, diazotrophe Cyanobakterium Cyanothece sp. ATCC 51142 als nächster freilebender Verwandter der Sphaeroidkörper bestimmt. Durch molekularbiologische Analysen im Rahmen eines Genom-Sequenzierprojekts wurde gezeigt, dass die cyanobakteriellen Endosymbionten von R. gibba alle Strukturgene der Nitrogenase sowie andere Gene für Faktoren der molekularen Stickstofffixierung kodieren. Die Nitrogenase konnte des Weiteren auf Proteinebene durch in-situ Lokalisation an Diatomeenzellen innerhalb der Sphaeroidkörper nachgewiesen werden. Ein Sequenzierprojekt vergleichbarer Sequenzen sowohl der Sphaeroidkörper-DNA als auch von Cyanothece sp. diente dazu, genetische Modifikationen der Endosymbionten zu identifizieren. In diesem Zusammenhang wurden von beiden Organismen über 50 kbp des Genoms sequenziert und analysiert. Die Untersuchungen ergaben, dass das Sphaeroidkörper-Genom zahlreiche Modifikationen aufweist, welche mit der endosymbiontischen Lebensweise einhergehen. Hierzu gehörte vor allem eine reduzierende Evolution des Genoms, die sich durch Mutation, Modifikation sowie Deletion von Genen sowie der Ausbildung großer, nicht-kodierender A/T-reicher DNA-Regionen (NC-Regionen) auszeichnet. Derartige genomische Modifikationen ließen sich zum Teil auf physiologische Veränderungen der endosymbiontischen Bakterien übertragen. Diese Veränderungen – wie der Verlust der photosynthetischen Aktivität – resultieren unter anderem in einer obligaten Abhängigkeit der Endosymbionten von der Wirtszelle. Die Analysen zeigten weiterhin, dass nicht alle Regionen des Sphaeroidkörper-Genoms gleich stark von genetischen Degenerationsprozessen betroffen sind und das Ausmaß der Veränderungen auf ein frühes Stadium der obligat-symbiontischen Interaktion hindeutet. Im Rahmen dieser Arbeit konnte damit gezeigt werden, dass es sich bei den Sphaeroidkörpern von R. gibba um obligate Endosymbionten cyanobakterieller Herkunft handelt, welche innerhalb der Wirtszelle molekularen Stickstoff fixieren. Damit wäre die Sphaeroidkörper-Rhopalodia-Assoziation die erste beschriebene obligate Symbiose zur Stickstofffixierung zwischen einem Bakterium und einem eukaryoten Organismus überhaupt. Die Analyse des Sphaeroidkörper-Genoms sowie die identifizierten genetischen Modifikationen geben einen Einblick in die Genomevolution bakterieller intrazellulärer Symbionten. Dabei konnten mit den NC-Regionen Sequenzbereiche beschrieben werden, welche Hinweise auf genomische Veränderungen in den frühen Stadien symbiontischer Interaktion geben könnten. Die Sphaeroidkörper könnten somit sowohl als Modell für die Evolution bakterieller Endosymbionten als auch für die Etablierung Nitrogenase-abhängiger Stickstofffixierung in eukaryoten Zellen dienen

  • Sphaeroidkörper der Diatomee Rhopalodia gibba Obligate Endosymbionten zur molekularen Stickstofffixierung
    Philipps-Universität Marburg Biologie, 2004
    Co-Authors: Kneip Christoph, Maier Uwe-g.
    Abstract:

    Die Diatomee Rhopalodia gibba enthält - neben den typischen Organellen von Heterokontophyten, Mitochondrien und einer kompexen Plastide ungewöhnliche Einschlüsse, welche als Sphaeroidkörper bezeichnet werden. Morphologische Untersuchungen führten zur Vermutung, dass es sich bei diesen Sphaeroidkörpern um Endosymbionten bakterieller Herkunft handeln könnte. Des Weiteren wurde ein Zusammenhang zwischen den Einschlusskörpern und der bei R. gibba beobachteten Fähigkeit zur Fixierung von molekularem Stickstoff diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Sphaeroidkörper von R. gibba näher charakterisiert und ihre Funktion innerhalb der Diatomee aufgeklärt werden. Hierzu wurden intakte Sphaeroidkörper aus Diatomeenzellen isoliert und aufgereinigt. Aus diesen Fraktionen konnte DNA präpariert und mittels molekularbiologischer sowie histologischer Analysen den Sphaeroidkörpern zugeordnet werden. Die Identifizierung eines Sphaeroidkörper-Genoms konnte damit die organismische Herkunft der Einschlusskörper und deren endosymbiontische Natur bestätigen. Durch phylogenetische Untersuchungen von Sphaeroidkörper-spezifischen Genen wurde das einzellige, diazotrophe Cyanobakterium Cyanothece sp. ATCC 51142 als nächster freilebender Verwandter der Sphaeroidkörper bestimmt. Durch molekularbiologische Analysen im Rahmen eines Genom-Sequenzierprojekts wurde gezeigt, dass die cyanobakteriellen Endosymbionten von R. gibba alle Strukturgene der Nitrogenase sowie andere Gene für Faktoren der molekularen Stickstofffixierung kodieren. Die Nitrogenase konnte des Weiteren auf Proteinebene durch in-situ Lokalisation an Diatomeenzellen innerhalb der Sphaeroidkörper nachgewiesen werden. Ein Sequenzierprojekt vergleichbarer Sequenzen sowohl der Sphaeroidkörper-DNA als auch von Cyanothece sp. diente dazu, genetische Modifikationen der Endosymbionten zu identifizieren. In diesem Zusammenhang wurden von beiden Organismen über 50 kbp des Genoms sequenziert und analysiert. Die Untersuchungen ergaben, dass das Sphaeroidkörper-Genom zahlreiche Modifikationen aufweist, welche mit der endosymbiontischen Lebensweise einhergehen. Hierzu gehörte vor allem eine reduzierende Evolution des Genoms, die sich durch Mutation, Modifikation sowie Deletion von Genen sowie der Ausbildung großer, nicht-kodierender A/T-reicher DNA-Regionen (NC-Regionen) auszeichnet. Derartige genomische Modifikationen ließen sich zum Teil auf physiologische Veränderungen der endosymbiontischen Bakterien übertragen. Diese Veränderungen wie der Verlust der photosynthetischen Aktivität resultieren unter anderem in einer obligaten Abhängigkeit der Endosymbionten von der Wirtszelle. Die Analysen zeigten weiterhin, dass nicht alle Regionen des Sphaeroidkörper-Genoms gleich stark von genetischen Degenerationsprozessen betroffen sind und das Ausmaß der Veränderungen auf ein frühes Stadium der obligat-symbiontischen Interaktion hindeutet. Im Rahmen dieser Arbeit konnte damit gezeigt werden, dass es sich bei den Sphaeroidkörpern von R. gibba um obligate Endosymbionten cyanobakterieller Herkunft handelt, welche innerhalb der Wirtszelle molekularen Stickstoff fixieren. Damit wäre die Sphaeroidkörper-Rhopalodia-Assoziation die erste beschriebene obligate Symbiose zur Stickstofffixierung zwischen einem Bakterium und einem eukaryoten Organismus überhaupt. Die Analyse des Sphaeroidkörper-Genoms sowie die identifizierten genetischen Modifikationen geben einen Einblick in die Genomevolution bakterieller intrazellulärer Symbionten. Dabei konnten mit den NC-Regionen Sequenzbereiche beschrieben werden, welche Hinweise auf genomische Veränderungen in den frühen Stadien symbiontischer Interaktion geben könnten. Die Sphaeroidkörper könnten somit sowohl als Modell für die Evolution bakterieller Endosymbionten als auch für die Etablierung Nitrogenase-abhängiger Stickstofffixierung in eukaryoten Zellen dienen

Uwe G. Maier - One of the best experts on this subject based on the ideXlab platform.

  • Rhopalodia gibba the first steps in the birth of a novel organelle
    2014
    Co-Authors: Susann Adler, Eike M. Trapp, Uwe G. Maier, Christine Dede, Stefan Zauner
    Abstract:

    The diatom Rhopalodia gibba harbours unusual cell inclusions termed spheroid bodies. Those are separated from the host cytoplasm by an additional membrane, vertically transmitted to the next generation and provide nitrogen autonomy to their host cell. Morphological observations and phylogenetic analyses revealed a cyanobacterial origin of these obligate endosymbionts. Phylogenetic data and fossil records suggest that the origin of this endosymbiosis dates back to late Eocene to Miocene (~25 Ma). Genomic analyses support this determination, as the genomic changes in the spheroid body suggest that the endosymbiosis is in a relatively early stage.

  • Rhopalodia gibba and its endosymbionts as a model for early steps in a cyanobacterial primary endosymbiosis
    2012
    Co-Authors: Eike M. Trapp, Susann Adler, Uwe G. Maier
    Abstract:

    The evolution of the eukaryotic cell was accompanied by several endosymbioses (Embley and Martin 2006). Mitochondria, hydrogenosomes and mitosomes, providing the host cell with ion sulfur clusters (Lill 2009) and, with the exception of mitosomes, ATP, orig­ inated from an engulfed bacterium (Lithgow and Schneider 2010). Additionally, plastids capable of pho­ tosynthesis developed from a cyanobacterium­like cell, which was intracellularly reduced to an organelle (Hempel et al. 2007; Bolte et al. 2009). Thus, major cellular functions and organelles of eukaryotes are of bacterial origin. This makes the analysis of further bacterial endosymbioses in eukaryotic cells an attrac­ tive field for studying the conversion of a prokaryote into a eukaryotic organelle. Several eukaryotes are known to harbor intracellular prokaryotes which were acquired via endosymbiotic events that occurred later than those giving rise to mitochondria and plastids. In the case of more recently established intracellular cyanobacteria, most of the described taxa are not culti­ vated, making them difficult to analyze. However, one important exception is the spheroid body harboring diatom Rhopalodia gibba, which can be isolated and maintained for some time in culture (Adler et al. 2010). Journal of Endocytobiosis and Cell Research (2012) 21‐24

  • the cyanobacterial endosymbiont of the unicellular algae Rhopalodia gibba shows reductive genome evolution
    BMC Evolutionary Biology, 2008
    Co-Authors: Peter J Lockhart, Christoph Kneip, Christine Voβ, Uwe G. Maier
    Abstract:

    Background Bacteria occur in facultative association and intracellular symbiosis with a diversity of eukaryotic hosts. Recently, we have helped to characterise an intracellular nitrogen fixing bacterium, the so-called spheroid body, located within the diatom Rhopalodia gibba. Spheroid bodies are of cyanobacterial origin and exhibit features that suggest physiological adaptation to their intracellular life style. To investigate the genome modifications that have accompanied the process of endosymbiosis, here we compare gene structure, content and organisation in spheroid body and cyanobacterial genomes.

  • The cyanobacterial endosymbiont of the unicellular algae Rhopalodia gibba shows reductive genome evolution
    BMC Evolutionary Biology, 2008
    Co-Authors: Christoph Kneip, Peter J Lockhart, Christine Voβ, Uwe G. Maier
    Abstract:

    Background Bacteria occur in facultative association and intracellular symbiosis with a diversity of eukaryotic hosts. Recently, we have helped to characterise an intracellular nitrogen fixing bacterium, the so-called spheroid body, located within the diatom Rhopalodia gibba . Spheroid bodies are of cyanobacterial origin and exhibit features that suggest physiological adaptation to their intracellular life style. To investigate the genome modifications that have accompanied the process of endosymbiosis, here we compare gene structure, content and organisation in spheroid body and cyanobacterial genomes. Results Comparison of the spheroid body's genome sequence with corresponding regions of near free-living relatives indicates that multiple modifications have occurred in the endosymbiont's genome. These include localised changes that have led to elimination of some genes. This gene loss has been accompanied either by deletion of the respective DNA region or replacement with non-coding DNA that is AT rich in composition. In addition, genome modifications have led to the fusion and truncation of genes. We also report that in the spheroid body's genome there is an accumulation of deleterious mutations in genes for cell wall biosynthesis and processes controlled by transposases. Interestingly, the formation of pseudogenes in the spheroid body has occurred in the presence of intact, and presumably functional, rec A and rec F genes. This is in contrast to the situation in most investigated obligate intracellular bacterium-eukaryote symbioses, where at least either rec A or rec F has been eliminated. Conclusion Our analyses suggest highly specific targeting/loss of individual genes during the process of genome reduction and establishment of a cyanobacterial endosymbiont inside a eukaryotic cell. Our findings confirm, at the genome level, earlier speculation on the obligate intracellular status of the spheroid body in Rhopalodia gibba . This association is the first example of an obligate cyanobacterial symbiosis involving nitrogen fixation for which genomic data are available. It represents a new model system to study molecular adaptations of genome evolution that accompany a switch from free-living to intracellular existence.

  • intracellular spheroid bodies of Rhopalodia gibba have nitrogen fixing apparatus of cyanobacterial origin
    Molecular Biology and Evolution, 2004
    Co-Authors: Julia Prechtl, Christoph Kneip, Peter J Lockhart, Klaus Wenderoth, Uwe G. Maier
    Abstract:

    Nitrogen fixation is not regarded as a eukaryotic invention. The process has only been reported as being carried out by bacteria. These prokaryotes typically interact with their eukaryotic hosts as extracellular and temporary nonobligate nitrogen-fixing symbionts. However, intracellular permanent "spheroid bodies" have been reported within the fresh-water diatom Rhopalodia gibba, and these, too, have been speculated as being able to provide nitrogen to their host diatom. These spheroid bodies have gram-negative characteristics with thylakoids. We demonstrate that they fix nitrogen under light conditions. We also show that phylogenetic analyses of their 16rRNA and nif D genes predict that their genome is closely related to that of Cyanothece sp. ATCC 51.142, a free-living diazotrophic cyanobacterium. We suggest that the intracellular spheroid bodies of Rhopalodia gibba may represent a vertically transmitted, permanent endosymbiotic stage in the transition from a free-living diazotrophic cyanobacterium to a nitrogen-fixing eukaryotic organelle.

Kneip Christoph - One of the best experts on this subject based on the ideXlab platform.

  • Nitrogen fixation in eukaryotes – New models for symbiosis
    BioMed Central, 2007
    Co-Authors: Kneip Christoph, Lockhart Peter, Voß Christine, Maier Uwe-g.
    Abstract:

    BACKGROUND: Nitrogen, a component of many bio-molecules, is essential for growth and development of all organisms. Most nitrogen exists in the atmosphere, and utilisation of this source is important as a means of avoiding nitrogen starvation. However, the ability to fix atmospheric nitrogen via the nitrogenase enzyme complex is restricted to some bacteria. Eukaryotic organisms are only able to obtain fixed nitrogen through their symbiotic interactions with nitrogen-fixing prokaryotes. These symbioses involve a variety of host organisms, including animals, plants, fungi and protists. RESULTS: We have compared the morphological, physiological and molecular characteristics of nitrogen fixing symbiotic associations of bacteria and their diverse hosts. Special features of the interaction, e.g. vertical transmission of symbionts, grade of dependency of partners and physiological modifications have been considered in terms of extent of co-evolution and adaptation. Our findings are that, despite many adaptations enabling a beneficial partnership, most symbioses for molecular nitrogen fixation involve facultative interactions. However, some interactions, among them endosymbioses between cyanobacteria and diatoms, show characteristics that reveal a more obligate status of co-evolution. CONCLUSION: Our review emphasises that molecular nitrogen fixation, a driving force for interactions and co-evolution of different species, is a widespread phenomenon involving many different organisms and ecosystems. The diverse grades of symbioses, ranging from loose associations to highly specific intracellular interactions, might themselves reflect the range of potential evolutionary fates for symbiotic partnerships. These include the extreme evolutionary modifications and adaptations that have accompanied the formation of organelles in eukaryotic cells: plastids and mitochondria. However, age and extensive adaptation of plastids and mitochondria complicate the investigation of processes involved in the transition of symbionts to organelles. Extant lineages of symbiotic associations for nitrogen fixation show diverse grades of adaptation and co-evolution, thereby representing different stages of symbiont-host interaction. In particular cyanobacterial associations with protists, like the Rhopalodia gibba-spheroid body symbiosis, could serve as important model systems for the investigation of the complex mechanisms underlying organelle evolution

  • Sphaeroidkörper der Diatomee Rhopalodia gibba – Obligate Endosymbionten zur molekularen Stickstofffixierung
    Philipps-Universität Marburg Biologie, 2004
    Co-Authors: Kneip Christoph, Maier Uwe-g.
    Abstract:

    Die Diatomee Rhopalodia gibba enthält - neben den typischen Organellen von Heterokontophyten, Mitochondrien und einer kompexen Plastide – ungewöhnliche Einschlüsse, welche als Sphaeroidkörper bezeichnet werden. Morphologische Untersuchungen führten zur Vermutung, dass es sich bei diesen Sphaeroidkörpern um Endosymbionten bakterieller Herkunft handeln könnte. Des Weiteren wurde ein Zusammenhang zwischen den Einschlusskörpern und der bei R. gibba beobachteten Fähigkeit zur Fixierung von molekularem Stickstoff diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Sphaeroidkörper von R. gibba näher charakterisiert und ihre Funktion innerhalb der Diatomee aufgeklärt werden. Hierzu wurden intakte Sphaeroidkörper aus Diatomeenzellen isoliert und aufgereinigt. Aus diesen Fraktionen konnte DNA präpariert und mittels molekularbiologischer sowie histologischer Analysen den Sphaeroidkörpern zugeordnet werden. Die Identifizierung eines Sphaeroidkörper-Genoms konnte damit die organismische Herkunft der Einschlusskörper und deren endosymbiontische Natur bestätigen. Durch phylogenetische Untersuchungen von Sphaeroidkörper-spezifischen Genen wurde das einzellige, diazotrophe Cyanobakterium Cyanothece sp. ATCC 51142 als nächster freilebender Verwandter der Sphaeroidkörper bestimmt. Durch molekularbiologische Analysen im Rahmen eines Genom-Sequenzierprojekts wurde gezeigt, dass die cyanobakteriellen Endosymbionten von R. gibba alle Strukturgene der Nitrogenase sowie andere Gene für Faktoren der molekularen Stickstofffixierung kodieren. Die Nitrogenase konnte des Weiteren auf Proteinebene durch in-situ Lokalisation an Diatomeenzellen innerhalb der Sphaeroidkörper nachgewiesen werden. Ein Sequenzierprojekt vergleichbarer Sequenzen sowohl der Sphaeroidkörper-DNA als auch von Cyanothece sp. diente dazu, genetische Modifikationen der Endosymbionten zu identifizieren. In diesem Zusammenhang wurden von beiden Organismen über 50 kbp des Genoms sequenziert und analysiert. Die Untersuchungen ergaben, dass das Sphaeroidkörper-Genom zahlreiche Modifikationen aufweist, welche mit der endosymbiontischen Lebensweise einhergehen. Hierzu gehörte vor allem eine reduzierende Evolution des Genoms, die sich durch Mutation, Modifikation sowie Deletion von Genen sowie der Ausbildung großer, nicht-kodierender A/T-reicher DNA-Regionen (NC-Regionen) auszeichnet. Derartige genomische Modifikationen ließen sich zum Teil auf physiologische Veränderungen der endosymbiontischen Bakterien übertragen. Diese Veränderungen – wie der Verlust der photosynthetischen Aktivität – resultieren unter anderem in einer obligaten Abhängigkeit der Endosymbionten von der Wirtszelle. Die Analysen zeigten weiterhin, dass nicht alle Regionen des Sphaeroidkörper-Genoms gleich stark von genetischen Degenerationsprozessen betroffen sind und das Ausmaß der Veränderungen auf ein frühes Stadium der obligat-symbiontischen Interaktion hindeutet. Im Rahmen dieser Arbeit konnte damit gezeigt werden, dass es sich bei den Sphaeroidkörpern von R. gibba um obligate Endosymbionten cyanobakterieller Herkunft handelt, welche innerhalb der Wirtszelle molekularen Stickstoff fixieren. Damit wäre die Sphaeroidkörper-Rhopalodia-Assoziation die erste beschriebene obligate Symbiose zur Stickstofffixierung zwischen einem Bakterium und einem eukaryoten Organismus überhaupt. Die Analyse des Sphaeroidkörper-Genoms sowie die identifizierten genetischen Modifikationen geben einen Einblick in die Genomevolution bakterieller intrazellulärer Symbionten. Dabei konnten mit den NC-Regionen Sequenzbereiche beschrieben werden, welche Hinweise auf genomische Veränderungen in den frühen Stadien symbiontischer Interaktion geben könnten. Die Sphaeroidkörper könnten somit sowohl als Modell für die Evolution bakterieller Endosymbionten als auch für die Etablierung Nitrogenase-abhängiger Stickstofffixierung in eukaryoten Zellen dienen

  • Sphaeroidkörper der Diatomee Rhopalodia gibba Obligate Endosymbionten zur molekularen Stickstofffixierung
    Philipps-Universität Marburg Biologie, 2004
    Co-Authors: Kneip Christoph, Maier Uwe-g.
    Abstract:

    Die Diatomee Rhopalodia gibba enthält - neben den typischen Organellen von Heterokontophyten, Mitochondrien und einer kompexen Plastide ungewöhnliche Einschlüsse, welche als Sphaeroidkörper bezeichnet werden. Morphologische Untersuchungen führten zur Vermutung, dass es sich bei diesen Sphaeroidkörpern um Endosymbionten bakterieller Herkunft handeln könnte. Des Weiteren wurde ein Zusammenhang zwischen den Einschlusskörpern und der bei R. gibba beobachteten Fähigkeit zur Fixierung von molekularem Stickstoff diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Sphaeroidkörper von R. gibba näher charakterisiert und ihre Funktion innerhalb der Diatomee aufgeklärt werden. Hierzu wurden intakte Sphaeroidkörper aus Diatomeenzellen isoliert und aufgereinigt. Aus diesen Fraktionen konnte DNA präpariert und mittels molekularbiologischer sowie histologischer Analysen den Sphaeroidkörpern zugeordnet werden. Die Identifizierung eines Sphaeroidkörper-Genoms konnte damit die organismische Herkunft der Einschlusskörper und deren endosymbiontische Natur bestätigen. Durch phylogenetische Untersuchungen von Sphaeroidkörper-spezifischen Genen wurde das einzellige, diazotrophe Cyanobakterium Cyanothece sp. ATCC 51142 als nächster freilebender Verwandter der Sphaeroidkörper bestimmt. Durch molekularbiologische Analysen im Rahmen eines Genom-Sequenzierprojekts wurde gezeigt, dass die cyanobakteriellen Endosymbionten von R. gibba alle Strukturgene der Nitrogenase sowie andere Gene für Faktoren der molekularen Stickstofffixierung kodieren. Die Nitrogenase konnte des Weiteren auf Proteinebene durch in-situ Lokalisation an Diatomeenzellen innerhalb der Sphaeroidkörper nachgewiesen werden. Ein Sequenzierprojekt vergleichbarer Sequenzen sowohl der Sphaeroidkörper-DNA als auch von Cyanothece sp. diente dazu, genetische Modifikationen der Endosymbionten zu identifizieren. In diesem Zusammenhang wurden von beiden Organismen über 50 kbp des Genoms sequenziert und analysiert. Die Untersuchungen ergaben, dass das Sphaeroidkörper-Genom zahlreiche Modifikationen aufweist, welche mit der endosymbiontischen Lebensweise einhergehen. Hierzu gehörte vor allem eine reduzierende Evolution des Genoms, die sich durch Mutation, Modifikation sowie Deletion von Genen sowie der Ausbildung großer, nicht-kodierender A/T-reicher DNA-Regionen (NC-Regionen) auszeichnet. Derartige genomische Modifikationen ließen sich zum Teil auf physiologische Veränderungen der endosymbiontischen Bakterien übertragen. Diese Veränderungen wie der Verlust der photosynthetischen Aktivität resultieren unter anderem in einer obligaten Abhängigkeit der Endosymbionten von der Wirtszelle. Die Analysen zeigten weiterhin, dass nicht alle Regionen des Sphaeroidkörper-Genoms gleich stark von genetischen Degenerationsprozessen betroffen sind und das Ausmaß der Veränderungen auf ein frühes Stadium der obligat-symbiontischen Interaktion hindeutet. Im Rahmen dieser Arbeit konnte damit gezeigt werden, dass es sich bei den Sphaeroidkörpern von R. gibba um obligate Endosymbionten cyanobakterieller Herkunft handelt, welche innerhalb der Wirtszelle molekularen Stickstoff fixieren. Damit wäre die Sphaeroidkörper-Rhopalodia-Assoziation die erste beschriebene obligate Symbiose zur Stickstofffixierung zwischen einem Bakterium und einem eukaryoten Organismus überhaupt. Die Analyse des Sphaeroidkörper-Genoms sowie die identifizierten genetischen Modifikationen geben einen Einblick in die Genomevolution bakterieller intrazellulärer Symbionten. Dabei konnten mit den NC-Regionen Sequenzbereiche beschrieben werden, welche Hinweise auf genomische Veränderungen in den frühen Stadien symbiontischer Interaktion geben könnten. Die Sphaeroidkörper könnten somit sowohl als Modell für die Evolution bakterieller Endosymbionten als auch für die Etablierung Nitrogenase-abhängiger Stickstofffixierung in eukaryoten Zellen dienen

Thelma Alvim Veiga Ludwig - One of the best experts on this subject based on the ideXlab platform.

Christoph Kneip - One of the best experts on this subject based on the ideXlab platform.

  • The cyanobacterial endosymbiont of the unicellular algae Rhopalodia gibba shows reductive genome evolution
    BMC Evolutionary Biology, 2008
    Co-Authors: Christoph Kneip, Peter J Lockhart, Christine Voβ, Uwe G. Maier
    Abstract:

    Background Bacteria occur in facultative association and intracellular symbiosis with a diversity of eukaryotic hosts. Recently, we have helped to characterise an intracellular nitrogen fixing bacterium, the so-called spheroid body, located within the diatom Rhopalodia gibba . Spheroid bodies are of cyanobacterial origin and exhibit features that suggest physiological adaptation to their intracellular life style. To investigate the genome modifications that have accompanied the process of endosymbiosis, here we compare gene structure, content and organisation in spheroid body and cyanobacterial genomes. Results Comparison of the spheroid body's genome sequence with corresponding regions of near free-living relatives indicates that multiple modifications have occurred in the endosymbiont's genome. These include localised changes that have led to elimination of some genes. This gene loss has been accompanied either by deletion of the respective DNA region or replacement with non-coding DNA that is AT rich in composition. In addition, genome modifications have led to the fusion and truncation of genes. We also report that in the spheroid body's genome there is an accumulation of deleterious mutations in genes for cell wall biosynthesis and processes controlled by transposases. Interestingly, the formation of pseudogenes in the spheroid body has occurred in the presence of intact, and presumably functional, rec A and rec F genes. This is in contrast to the situation in most investigated obligate intracellular bacterium-eukaryote symbioses, where at least either rec A or rec F has been eliminated. Conclusion Our analyses suggest highly specific targeting/loss of individual genes during the process of genome reduction and establishment of a cyanobacterial endosymbiont inside a eukaryotic cell. Our findings confirm, at the genome level, earlier speculation on the obligate intracellular status of the spheroid body in Rhopalodia gibba . This association is the first example of an obligate cyanobacterial symbiosis involving nitrogen fixation for which genomic data are available. It represents a new model system to study molecular adaptations of genome evolution that accompany a switch from free-living to intracellular existence.

  • the cyanobacterial endosymbiont of the unicellular algae Rhopalodia gibba shows reductive genome evolution
    BMC Evolutionary Biology, 2008
    Co-Authors: Peter J Lockhart, Christoph Kneip, Christine Voβ, Uwe G. Maier
    Abstract:

    Background Bacteria occur in facultative association and intracellular symbiosis with a diversity of eukaryotic hosts. Recently, we have helped to characterise an intracellular nitrogen fixing bacterium, the so-called spheroid body, located within the diatom Rhopalodia gibba. Spheroid bodies are of cyanobacterial origin and exhibit features that suggest physiological adaptation to their intracellular life style. To investigate the genome modifications that have accompanied the process of endosymbiosis, here we compare gene structure, content and organisation in spheroid body and cyanobacterial genomes.

  • intracellular spheroid bodies of Rhopalodia gibba have nitrogen fixing apparatus of cyanobacterial origin
    Molecular Biology and Evolution, 2004
    Co-Authors: Julia Prechtl, Christoph Kneip, Peter J Lockhart, Klaus Wenderoth, Uwe G. Maier
    Abstract:

    Nitrogen fixation is not regarded as a eukaryotic invention. The process has only been reported as being carried out by bacteria. These prokaryotes typically interact with their eukaryotic hosts as extracellular and temporary nonobligate nitrogen-fixing symbionts. However, intracellular permanent "spheroid bodies" have been reported within the fresh-water diatom Rhopalodia gibba, and these, too, have been speculated as being able to provide nitrogen to their host diatom. These spheroid bodies have gram-negative characteristics with thylakoids. We demonstrate that they fix nitrogen under light conditions. We also show that phylogenetic analyses of their 16rRNA and nif D genes predict that their genome is closely related to that of Cyanothece sp. ATCC 51.142, a free-living diazotrophic cyanobacterium. We suggest that the intracellular spheroid bodies of Rhopalodia gibba may represent a vertically transmitted, permanent endosymbiotic stage in the transition from a free-living diazotrophic cyanobacterium to a nitrogen-fixing eukaryotic organelle.

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