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BIOspektrum | 03.14 | 20. Jahrgang

SONJA VOGET1, MARKUS GÖKER2, THORSTEN BRINKHOFF3

1INSTITUT FÜR MIKROBIOLOGIE UND GENETIK, UNIVERSITÄT GÖTTINGEN2LEIBNIZ-INSTITUT DSMZ – DEUTSCHE SAMMLUNG VON MIKROORGANISMEN UND

ZELLKULTUREN, BRAUNSCHWEIG3INSTITUT FÜR CHEMIE UND BIOLOGIE DES MEERES (ICBM),

UNIVERSITÄT OLDENBURG

The Roseobacter group appears to be one of the most important groupsof marine bacteria, present in high abundance in various habitats. Duringthe last 25 years a multitude of strains affiliated with this group andshowing very different physiological features was obtained. The charac-teristics of the isolates reflect their adaptations to different ecologicalniches. Analysis of a constantly increasing number of Roseobactergenomes indicates an adaptive structure and at least partially explainsthe success of this bacterial group.

10.1007/s12268-014-0441-2© Springer-Verlag 2014

ó Bakterien der Roseobacter-Gruppe gehö-ren zu den Alphaproteobakterien (FamilieRhodobacteraceae) und spielen weltweit einebedeutende Rolle in vielen marinen Habita-ten. Es gibt zahlreiche unterschiedliche Ver-

treter, die sich an die verschiedensten Bedin-gungen angepasst haben (Abb. 1), z. B. andas Leben auf Oberflächen und in Biofilmen,häufig assoziiert mit höheren Organismen,aber auch frei lebend im Pelagial, wo sie oft

Anteile bis über 20 Prozent der Bakterienge-meinschaft aufweisen [1]. Neben einigen bis-her nicht oder nur schwer kultivierbarenUntergruppen gibt es eine Vielzahl von Iso-laten, die für physiologische Charakterisie-rungen und verschiedenste Studien genutztwurden. Daher lässt sich schlussfolgern, dassder Erfolg der Gruppe u. a. durch ihre hohemetabolische Vielfalt zu erklären ist. Eineständig steigende Zahl an beschriebenen Gattungen reflektiert die physiologischeund genetische Diversität der Roseobacter-Gruppe.

Während alle Vertreter dieser Gruppeheterotroph wachsen und eine Vielzahl vonorganischen Verbindungen verwerten kön-nen, nutzen einige zusätzlich andere Wegeder Energiegewinnung, das heißt sie betrei-ben Photoheterotrophie (durch aerobe, anoxy-gene Photosynthese) oder Lithoheterotrophie(durch die Oxidation von Kohlenstoffmono-xid oder reduzierten Schwefelverbindungen).Darüber hinaus produzieren manche Roseo-bacter-Vertreter eine Reihe von Sekundär-stoffen. Vermutlich am intensivsten unter-

Taxonomie

Genomik: Grundlage zum Ver ständ nisdes Erfolgs von Roseobacter-Gruppe

˘ Abb. 1: Vorkom-men unterschied-licher Vertreter derRoseobacter-Gruppein marinen Habita-ten. Es wird deutlich,dass eine Vielzahlvon Lebensräumenerschlossen wurde,vom Sediment überden freien Ozean bishin zur Besiedlungverschiedener Ober-flächen und Organis-men. Es sind über-wiegend Vertreteraufgeführt, derenGenom bereitssequenziert wurde.Organismen, derenGenome noch nichtsequenziert wurden,sind mit einem Sternmarkiert.

sucht wurde die antibiotisch wirksame Tro-podithietsäure (TDA). TDA wird von Vertre-tern unterschiedlicher Gattungen produziert,von denen einige als potenziell probiotischeBakterien in Aquakulturen in Spanien undDänemark untersucht werden [2].

Im Transregio-Sonderforschungsbereich(SFB) „Roseobacter“ werden aktuell physio-logische, ökologische und evolutionäreAspekte untersucht, wobei für viele Ansätzedie Verfügbarkeit von qualitativ hochwerti-gen Genomen verschiedener Roseobacterextrem wichtig ist. Gegenwärtig stammenetwa ein Viertel aller Roseobacter-Genomeaus dem SFB, darunter viele der geschlosse-nen Genome. Die Genomsequenzierungs-projekte des SFB schließen die phylogene-tisch isoliertesten Vertreter ein [3], aber auchdie (zu Projektbeginn) kompletten Gattun-gen Leisingera und Phaeobacter, da dieseOrganismen physiologisch besonders inter-essant sind [4]. Unsere Arbeiten tragen somitdazu bei, dass die Roseobacter-Gruppe eineder genomisch am besten untersuchten Grup-pen mariner Bakterien ist.

Klassifikation der Roseobacter-GruppeDie taxonomische Klassifikation der Roseo-bacter-Gruppe leidet an der mangelnden Auf-lösung der 16S-rRNA, die meist als aus-schließlicher phylogenetischer Marker ein-gesetzt wird [3]. Während die Familie Rho-

dobacteraceae (die auch nicht-marine Ver-treter beinhaltet) gut abgesetzt ist, ist die sta-tistische Unterstützung zur Abgrenzung voneinigen Untergruppen und Gattungen inner-halb der Familie recht gering. So lieferte einebislang unveröffentlichte 16S-rRNA-Analysemit 245 Arten der Familie im Schnitt lediglich45 Prozent Bootstrap-Unterstützung pro Ast.Daher ist trotz der in der Literatur verbreite-ten Bezeichnung „Roseobacter clade“ unklar,ob die Roseobacter-Gruppe überhaupt einegeschlossene Abstammungsgemeinschaft bil-det. Ferner ist für viele Gattungen mit mehrals einer Art unsicher, ob sie jeweils einenatürliche Gruppe bilden. Diese Schwierig-keiten liegen wohl am Erfolg bei der Isolie-rung von Roseobacter-Stämmen, da ein unddasselbe Gen (das 16S-rRNA-Gen) nun für diePlatzierung einer steigenden Zahl von Orga-nismen verwendet wird.

Genomdaten können hier Abhilfe schaffen,da sie wesentlich mehr Merkmale (Sequenz-information) liefern als die 16S-rRNA [5].Unsere Analyse von 78 Genomen der Rhodo-bacteraceae ergab zwischen 2.240 und 5.730Protein-codierende Gene und 374 bis 740 ver-schiedene Enzyme pro Genom. Während ca.400 verschiedene homologe Gene in allenuntersuchten Genomen vorkamen (also dasCore-Genom bildeten), zeigte die Gesamtheitaller Gene, das heißt das Pangenom, noch kei-ne Tendenz zur Sättigung (Abb. 2). Hier wirddeutlich, dass die (genomische) Analyse wei-

terer Stämme auch weitere neue Gene undEigenschaften liefern wird. In der phyloge-netischen Analyse solcher genomweiterDatenmatrizen („Supermatrizen“) tratendurchschnittliche Bootstrap-Support-Wertebis zu 99 Prozent auf. Wichtig ist hierbei, dassauch Einzelgene, die von horizontalem Gen-transfer (HGT) betroffen sind, erfolgreich inphylogenetischen Analysen vieler kombi-nierter Gene (Supermatrizen) herangezogenwerden können [5]. Diese Genomdaten wider-sprechen u. a. statistisch signifikant der Klassifikation einiger Arten, z. B. innerhalbder Gattungen Leisingera und Phaeo bacter.

Plasmide der Roseobacter-GruppeDie verfügbaren Genomdaten ergaben, dassdie meisten Vertreter der Roseobacter-GruppePlasmide aufweisen, die oft wichtige Eigen-schaften codieren, wie die Produktion deroben genannten TDA [6]. Kürzlich konntenwir zeigen, dass als obligat aerob beschrie-bene Stämme doch Nitrit reduzieren könnenund somit ebenfalls zu einer anaerobenLebensweise befähigt sind. Einige der hierbeteiligten Gene sind ebenfalls Plasmid-codiert [4]. Aufgrund der Vielfalt der Plasmi-de der Roseobacter-Gruppe wurde im Rahmendes SFB ein neuartiges Plasmidklassifika-tionssystem eingeführt, das sich an den Repli-kationssystemen orientiert [7]; nur Plasmidemit kompatiblen Systemen kommen gemein-sam in derselben Wirtszelle vor. Derzeit wird

¯ Abb. 2: Analysevon Core-Genom undPangenom basierendauf 78 Rhodobacter-aceae-Genomen.Während sich dasCore-Genom einerSättigung bei ca. 400verschiedenen homo-logen Genen annä-hert, zeigt die Erfas-sung des Pangenomsnoch keinen Hinweisauf einen Abschluss.

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im SFB der Zusammenhang zwi-schen Biofilmbildung und Plas-miden intensiv untersucht. DiePlasmide dürften auch einenerheblichen Beitrag zum Pange-nom (Abb. 2) der Roseobacter-Gruppe leisten.

Polare RoseobacterDer Großteil der bisher sequen-zierten Roseo bacter-Stämmekommt aus den gemäßigten Tem-peraturzonen, wohingegen der-zeit nur zwei psychrophile Isola-te aus Packeis vorliegen, diezudem von den entgegengesetz-ten Polregionen stammen: Octa-decabacter arcticus und Octade-cabacter antarcticus. Die Sequen-zierung und Analyse der Octade-cabacter-Genome ergab unter denVertretern der Roseobacter-Grup-pe einzigartige Eigenschaften.Hervorzuheben ist hierbei mikro-bielles Rhodopsin aus der Grup-pe der Xanthorhodopsine. DieGruppe der Xanthorhodopsinespaltet sich in zwei Untergruppenauf, wobei die Untergruppe II imRahmen des SFB zum ersten Malbeschrieben wurde [8]. Analysenweltweiter Metagenomdatenban-ken zeigten, dass Xanthorhodop-sine kein typisch marines Merk-mal sind und vor allem in extre-men Habitaten vorkommen. DieUntergruppe I ist hierbei eher inHabitaten mit höheren Tempera-turen, die Untergruppe II hinge-gen überwiegend im Eis und beiniedrigen Temperaturen zu fin-den.

Die Auswertung der Octadeca-bacter-Genome trug auch zueinem besseren Verständnis derEvolution der gesamten Gruppebei. Diese weist ein umfangrei-ches Pangenom auf (Abb. 2), wasdie Bedeutung von HGT inner-halb der Gruppe unterstreicht. Sosind nur zwei Prozent der Geneder beiden Isolate spezifisch fürdie Gattung Octadecabacter [8].Eine treibende Kraft scheinen diein der Roseo bacter-Gruppe weitverbreiteten gene transfer agents(GTA) zu sein – Phagen-ähnlichePartikel, welche zufällige Frag-

mente des Wirtsgenoms verpa-cken und in nah verwandte Bak-terien einschleusen. GTAs könn-ten es Mitgliedern dieser Gruppeermöglichen, sich an die unter-schiedlichsten Umweltbedingun-gen anzupassen (Abb. 1). Bei denpolaren Octadecabacter spp. wirddieser Effekt durch die unge-wöhnlich hohe Anzahl an trans-posablen Elementen (TE) nochverstärkt. O. arcticus besitzt 175TEs pro Mega base, wohingegender Mittelwert der Roseobacter-Gruppe bei 21 TEs pro Megabaseliegt. Es wurde bereits vermutet,dass Meereis als hot spot für HGTin marinen Habitaten fungiert,was wir bestätigen konnten. ErsteEinblicke in die Genome nicht-polarer Octadecabacter unter-stützen diese Ergebnisse, da siedeutlich weniger TEs als ihrepolaren Verwandten aufweisen.

Metagenomik derRoseobacter-GruppeIm Rahmen des SFB wurdennicht nur neue Isolate sequen-ziert und analysiert, sondernauch Diversitätsstudien natür-licher, mariner Bakterienge-meinschaften durchgeführt. Sowurde der Einfluss einer Algen-blüte auf die aktive Bakterienge-meinschaft in der DeutschenBucht mittels Pyrosequenzierungvon 16S-rRNA-Amplikons unter-sucht [9]. Hierbei konnten rund20 Prozent der Sequenzen alleindem RCA(Roseobacter clade affi-liated)-Cluster, einer abundantenpelagischen Roseo bacter-Un ter -gruppe, zugewiesen werden.Unsere weiteren Untersuchungenin der Nordsee zeigten, dass pela-gische Roseobacter-Untergruppendie frei lebende bakterielleGemeinschaft mit einem Anteilvon bis zu 48 Prozent domi -nieren.

Jedoch konnten von den meis-ten der hier detektierten pelagi-schen Untergruppen noch keineVertreter kultiviert werden. Hier-durch wird deutlich, dass, obwohlbereits ca. 70 Genome verschie-dener Roseobacter-Vertreter ver-

fügbar sind, die genomische und physiologi-sche Diversität der gesamten Gruppe nochlange nicht komplett erfasst wurde (Abb. 3).Diese Schlussfolgerung wird auch durch ande-re Metagenom-Studien gestützt, in denengezeigt werden konnte, dass natürliche Roseo -bacter-Populationen in ihren genomischenEigenschaften stark von denen kultivierterVertreter abweichen [10]. Im Rahmen des SFBsoll auch diese Lücke geschlossen werden; esstehen bereits mehrere Isolate einer der wich-tigsten pelagischen Gruppen zur Verfügung,wie z. B. von Planktomarina temperata, einemMitglied des RCA-Clusters [1].

DanksagungDie Autoren danken ihren Kolleginnen undKollegen sowie zahlreichen Kooperations-partnern. An den hier vorgestellten Ergeb-nissen waren im besonderen Maße beteiligt(in alphabetischer Reihenfolge): Marco Dogs,Prof. Dr. Rolf Daniel, Dr. Helge Giebel, Dr.Daniela Kalhöfer, Dr. Hans-Peter Klenk, Dr.Jörn Petersen, Carmen Scheuner, Prof. Dr.Dietmar Schomburg, Prof. Dr. MeinhardSimon, Dr. Sebastian Thole, Marcus Ulbrich,Dr. John Vollmers und Dr. Bernd Wemheuer.Die Projekte wurden bzw. werden unterstütztvon der Volkswagen-Stiftung (VW-Vorab) und

der Deutschen Forschungsgemeinschaft(DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbe-reichs TRR51 „Roseobacter“. ó

Literatur[1] Giebel H-A, Kalhoefer D, Lemke A et al. (2011)Distribution of Roseobacter RCA and SAR11 lineages in theNorth Sea and characteristics of an abundant RCA isolate.ISME J 5:8–19[2] Pintado J, Pérez-Lorenzo M, Luna-González A et al. (2010)Monitoring of the bioencapsulation of a probiotic Phaeobacterstrain in the rotifer Brachionus plicatilis using denaturing gra-dient gel electrophoresis. Aquaculture 302:182–194[3] Göker M, Klenk H-P (2013) Phylogeny-driven target selec-tion for genome-sequencing (and other) projects.Stand Genomic Sci 8:360–374[4] Dogs M, Voget S, Teshima H et al. (2013) Genome sequen-ce of Phaeobacter inhibens type strain (T5T), a secondarymetabolite producing member of the marine Roseobacter cla-de, and emendation of the species description of Phaeobacterinhibens. Stand Genomic Sci 9:334–350[5] Klenk H-P, Göker M (2010) En route to a genome-basedtaxonomy of Archaea and Bacteria? Syst Appl Microbiol 33:175–182[6] Thole S, Kalhoefer D, Voget S et al. (2012) Phaeobacter gal-laeciensis genomes from globally opposite locations revealhigh similarity of adaptation to surface life. ISME J 6:2229–2244[7] Petersen J (2011) Phylogeny and compatibility: plasmidclassification in the genomics era. Arch Microbiol 193:313–321[8] Vollmers J, Voget S, Dietrich S et al. (2013) Poles apart:Arctic and Antarctic Octadecabacter strains share high geno-me plasticity and a new type of xanthorhodopsin. PLoS One 8:e63422[9] Wemheuer B, Güllert S, Billerbeck S et al. (2013) Impact ofa phytoplankton bloom on the diversity of the active bacterialcommunity in the southern North Sea as revealed by meta-transcriptomic approaches. FEMS Microbiol Ecol,doi: 10.1111/1574-6941.12230[10] Luo H, Löytynoja A, Moran MA (2012) Genome contentof uncultivated marine Roseobacters in the surface ocean.Environ Microbiol 14:41–51

Korrespondenzadresse:Dr. Thorsten BrinkhoffInstitut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM)Universität OldenburgCarl-von-Ossietzky-Straße 9–11D-26129 OldenburgTel.: 0441-798-3269Fax: 0441-798-3438t.brinkhoff@icbm.de

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AUTORENSonja Voget1996–2002 Biologiestudium ander Universität Göttingen; dort2006 Promotion (Dr. rer. nat.)im Institut für Mikrobiologie undGenetik. Seit 2006 wissen-schaftliche Mitarbeiterin amGoettingen Genomics Laborato-ry (G2L) der Universität Göttin-gen.

Markus Göker1993–1999 Biologiestudium ander Universität Heidelberg.2004 Promotion (Dr. rer. nat.),2008 Habilitation an der Univer-sität Tübingen. Seit 2008 wis-senschaftlicher Mitarbeiter desLeibniz-Instituts DSMZ – Deut-sche Sammlung von Mikroorga-nismen und Zellkulturen, Braun-schweig. Seit 2010 Projektleiterim SFB „Roseobacter“.

Thorsten Brinkhoff1988–1994 Biologiestudiuman der Universität Osnabrück.1998 Promotion (Dr. rer. nat.)am Max-Planck-Institut fürMarine Mikrobiologie in Bre-men. Seit 1998 wissenschaft-licher Mitarbeiter am Institutfür Chemie und Biologie desMeeres (ICBM) der UniversitätOldenburg. 2008 Habilitationim Fachgebiet Mikrobiologie.Seit 2010 Projektleiter im SFB„Roseobacter“.

¯ Abb. 3: Vergleich der genomischen Ausstattung vorhandener Roseobacter-Genome und Abun-danzen verschiedener Untergruppen der Roseobacter-Gruppe in Umweltproben aus der Nordsee.A, Clustering auf der Basis des Genausstattung (gene content) von 51 Roseobacter-Vertretern.Die Zahlen in Klammern geben die Anzahl der zugrunde liegenden Genomsequenzen an. Ersicht-lich wird, dass Vertreter der pelagischen Cluster RCA und NAC11-7 sich deutlich von anderenRoseobactern unterscheiden. B, Zusammensetzung der Roseobacter-Gruppe in der Nordsee.„Total“ markiert hierbei die Zusammensetzung auf DNA-Ebene, „aktiv“ auf RNA-Ebene. Es ist zusehen, dass für die dominanten Gruppen (erkennbar an den Farbmarkierungen) nur wenige (RCA,NAC11-7) oder keine (CHAB-I-5, NAC11-6) Genomsequenzen vorhanden sind und die genomischeund vermutlich auch die physiologische Diversität der Roseobacter-Gruppe noch nicht repräsenta-tiv erfasst ist.

A B