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Main Title: Interspecies interplay between cyanobacteria and green algae - the first step to know why cyanobacteria produce what we call “Toxins”
Translated Title: Die interspezifischen Wechselwirkungen zwischen Cyanobakterien und der Grünalge – die Funktion von Cyanotoxinen im Ökosystem
Author(s): Omidi, Azam
Advisor(s): Pflugmacher Lima, Stephan
Referee(s): Pflugmacher Lima, Stephan
Neubauer, Peter
Esterhuizen-Londt, Maranda
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Over the past decades, cyanobacteria have attracted the researcher’s attention due to their ability to produce cyanotoxins. Among cyanotoxins, microcystins (MCs) are the most commonly studied. However, their significance for the producing species beyond their toxicity is still mysterious (was reviewed in Paper I). In the present study, the interactions between a common bloom-forming cyanobacterium “Microcystis aeruginosa” and a green alga “Desmodesmus subspicatus” were studied to provide more insights into the ecological importance of the algal secondary metabolites concerning MCs. To achieve this, a dialysis co-cultivation system was established. First, M. aeruginosa PCC 7806 and D. subspicatus were co-cultured (1:1) at different phases of growth (Paper II). Second, D. subspicatus was co-cultured with M. aeruginosa PCC 7806 and PCC 7005 (toxic and non-toxic strains, respectively) that were grown to the stationary phase of growth (Paper III). As a result, the concentration of intracellular and extracellular (inner and outer membrane) MC-LR was quantified using liquid chromatography-tandem mass spectrometry and the cell density was monitored using a haemocytometer under the light microscopy. The growth of M. aeruginosa PCC 7806 and D. subspicatus in the culture filtrates of each other and the effects of toxic M. aeruginosa crude extracts on the growth of D. subspicatus were studied as well (Paper II). The results provided clues to the involvement of the algal secondary metabolites in the interspecies interplay. The growth of the two species was inhibited in the culture filtrates of one another (˃ 25% exudates). The MC-containing crude extracts (˃ 140 µg/L) inhibited the growth of green alga. Moreover, the co-cultured species influenced the growth of each other negatively depending on the stages of the growth. During the exponential phase of growth, the green alga inhibited the growth and MC production but has not influenced the MC release. While, at the stationary phase of growth, MC production and release were enhanced, coinciding with the inhibition of the growth of green alga (Paper II). Moreover, MC-producing strain excluded the green alga greater and earlier compared to non-toxic strain. The MC-producing M. aeruginosa benefited from MC, in addition to or rather than the other secondary metabolites, to improve its fitness and the greater exclude of the green alga. However, inhibition of the growth of green alga at the concentrations of MC-LR above the environmental levels may explain the frequent co-existence of the green algae with cyanobacterial blooms. Moreover, the results indicated that the diffusion rate of extracellular MC-LR across the dialysis membrane was positively related to the time and negatively to the concentration of extracellular MC-LR.
In den letzten Jahrzehnten haben Cyanobakterien viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, weil sie Cyanotoxine produzieren können. Die am häufigsten untersuchten Cyanotoxine sind die Microcystine (MCs). Neuere Studien haben die Rolle der MCs in den ökologischen und physiologischen Prozessen herausgestellt (Publikation I). In der vorliegenden Studie wurden die Wechselbeziehungen zwischen dem Cyanobakterium Microcystis aeruginosa und der Grünalge Desmodesmus subspicatus untersucht, um die ökologische Rolle der Algen-Sekundärmetaboliten, insbesondere der MCs, zu klären. Daher wurde ein Dialyse-Co-Kultursystem entworfen. Zuerst wurden die MC-produzierende M. aeruginosa PCC 7806 und D. subspicatus in verschiedenen Wachstumsstadien co-kultiviert (Publikation II). Zusätzlich wurde D. subspicatus mit den toxischen und nichttoxischen Stämmen von M. aeruginosa (PCC 7806 und PCC 7005), die bis zur stationären Wachstumsphase gezüchtet wurden, co-kultiviert (Publikation III). Die Konzentration des intrazellulären und extrazellulären (innere und äußere Membranen) MC-LR wurde mit der LC-MS/MS quantifiziert. Die Zelldichte der Arten wurde mit der Zählkammer und der Lichtmikroskopie gezählt. Anschließend wurde das Algenwachstum in den Kulturfiltraten gemessen und die Auswirkungen des Rohextrakts von toxischem M. aeruginosa auf das Wachstum der Grünalge bestimmt. Die Ergebnisse liefern Hinweise auf die Beteiligung der Algen-Sekundärmetaboliten an den interspezifischen Wechselwirkungen. Das Algenwachstum wurde in den Kulturfiltraten bei erhöhtem Anteil der Filtrate gehemmt. Das MC-haltige Rohextrakt von M. aeruginosa hemmte auch das Wachstum der Grünalge. Die co-kultivierten Arten wurden in Abhängigkeit von den Wachstumsphasen negativ beeinflusst. Während der exponentiellen Wachstumsphase inhibierte die Grünalge das Wachstum und die MC-Produktion von M. aeruginosa. In der stationären Wachstumsphase wurde die MC-Produktion und die Freisetzung von Microcystis gesteigert und das Wachstum der Grünalgen gehemmt. Die MC-produzierende Stamm von M. aeruginosa hemmte das Wachstum der Grünalge früher und in höherem Umfang als der MC-defiziente Stamm. Die MC-produzierende Microcystis profitierte vom MC in der Kombination mit oder anstelle der anderen Sekundärmetaboliten, mit dem Effekt, ihre Fitness zu verbessern und die Grünalge auszukonkurrieren. Die Hemmung des Grünalgenwachstum bei Konzentrationen über dem Umweltniveau der MCs kann jedoch die Koexistenz der Grünalgen und der Cyanobakterien erklären. Andererseits zeigten die Ergebnisse, dass die Diffusionsrate des MC-LR positiv abhängig von der Zeit und negativ von der Konzentration des extrazellulären MC-LR war.
Exam Date: 27-Mar-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 17-Jun-2020
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): interspecies interactions
M. aeruginosa
D. subspicatus
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