Kontrolle der Stickstofffixierung in filamentösen Cyanobakterien
Filamentöse Stickstoff (N) -fixierende (diazotrophe) Cyanobakterien (Nodularia, Aphanizomenon und Dolichospermum) sind die wichtigsten Primärproduzenten und tragen wesentlich zur Versorgung mit biologisch verwertbarem Stickstoff in der Ostsee bei. Es wurde gezeigt, dass 30-50% von N, das durch diese Cyanobakterien fixiert wird, schnell als Ammonium (NH4+) oder gelöster organischer Stickstoff (DON – Dissolved Organic Nirogen) freigesetzt wird und von vielen nicht-diazotrophen Primärproduzenten und heterotrophen Bakterien, effizient aufgenommen wird. Diese dienen wiederum als Beute für Sekundärproduzenten. Cyanophagen (Viren, die Cyanobakterien infizieren) haben das Potenzial, durch zwei Hauptprozesse zur N2-Fixierung und N-Freisetzung beizutragen: (1) metabolische Reprogrammierung (z. B. durch Herunterregulierung der Wirts-DNA-Replikation und Expression von Virus-Hilfsmetaboliten) und (2) durch die Lyse der infizierten Wirtszellen (z. B. durch Freisetzung von Toxinen und organischen Verbindungen, die sich in Zusammensetzung, Stöchiometrie und Bioverfügbarkeit von denen der nicht infizierten Zellen unterscheiden. Solche virenbedingten Veränderungen des Zellstoffwechsels und der Sterblichkeit können sich in der gesamten Gemeinschaft ausbreiten. Derzeitige Kenntnisse über die Rolle von Cyanophagen im Stickstoffkreislauf sind sehr begrenzt. Überraschenderweise wurde wenig Aufmerksamkeit darauf gelegt, zu verstehen, welchen Einfluß virale Infektionen auf die N2-Fixierung und – Freisetzung in diazotrophen Cyanobakterien haben. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Rolle von Cyanophageninfektionen und virale Lyse auf den Stickstoff-metabolismus und -kreislauf in Cyanobakterien zu verstehen. Die Wirkung von Cyanophageninfektionen und Lyse auf die Stickstofffixierung und die Ammoniumfreisetzung wurde experimentell mit dem diazotrophen Cyanobakterium Aphanizomenon flos-aquae untersucht. Wir fanden heraus, dass weder die Expression von nifH-Genen noch die Rate der Stickstofffixierung in den infizierten Zellen gehemmt wurde, obwohl das Wachstum von A. flos-aquae aufgrund einer Virusinfektion unterdrückt wurde. Dies legt nahe, dass Viren die Aktivität der Wirtsdiazotropie während der Infektion aufrechterhalten und möglicherweise neu fixierten Stickstoff in die Produktion von viralen Nachkommen umleiten. Infektion und Lyse waren im Vergleich zu den Kontrollkulturen mit einer signifikant höheren Freisetzung von Ammonium in das Medium verbunden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Vorkommen von Viren ein wichtiger biotischer Faktor für die Dynamik und das Schicksal von diazotrophenverbundenen Stickstoff ist.