Rock-inhabiting fungi studied with the aid of the model black fungus Knufia petricola A95 and other related strains

Abstract

Black fungi are recently described microorganisms and amongst the most stress- tolerant eukaryotes currently known. They are a taxonomically diverse, but morphologically similar group of filamentous fungi that share two distinct signature characteristics, i.e. melanisation of the cell wall and compact colony morphology, which confer them passive, constituent extremotolerance. Albeit morphologically undifferentiated, black fungi show extensive phylogenetic and ecological diversity. Due to their persistence in unfavourable niches, they are ubiquitous on deserts and in glaciers and are permanent settlers of rock and other atmosphere-exposed material surfaces as well as man-made environments like salterns, humidifiers and dishwashers, and thus widespread in temperate regions worldwide. Some members are devastating opportunistic pathogens of invertebrates or vertebrates, including humans; others show symbiotic potentials with co-occurring microorganisms in extreme ecosystems. Beside their interest for fundamental biology, black fungi are important for several applied applications, e.g. in biotechnology, astrobiology, bioremediation and material preservation. Despite recent advances in the study of these fungi, many biological questions remain to be clarified regarding the molecular mechanisms underlying persistence, their physiology and nutritional modes, and their specific interactions with putative symbiotic partners. Models for pathogenic and halotolerant black fungi are established; however, no model was yet available for rock- and material-inhabiting ones. This thesis introduces the strain Knufia petricola A95 as a suitable model to study rock-inhabiting lifestyle. For this purpose, the strain was characterised at the physiological and molecular levels by phenotype microarrays, growth experiments and genome analyses as well as further methods. Cell-wall mutants of K. petricola A95 isolated during the course of this study were described and included in the comparative analysis to investigate effect of melanisation on physiology and stress tolerance. Direct comparisons were also performed between the model strain and the phylogenetically distant but ecologically, biogeographically and morphologically highly similar rock inhabitant Coniosporium apollinis. Preliminary observations of a model biofilm of K. petricola A95 and the photosynthetic cyanobacterium Nostoc punctiforme ATCC 29133 are introduced to study symbiotic interactions of rock-inhabiting microorganisms. Data presented here are a contribution to the understanding of ecophysiology and extremotolerance of rock-inhabiting black fungi.

Schwarze Hefen sind jüngst beschriebene Mikroorganismen und zählen zu den widerstandsfähigsten derzeitig bekannten Eukaryonten. Diese taxonomisch sehr unterschiedlichen, jedoch morphologisch undifferenzierten filamentösen Pilze teilen zwei Hauptcharakteristika, nämlich die Melanisierung der Zellwand und die kompakte, blumenkohlartige Koloniebildung, was den Organismen passive und konstitutive Extremotoleranz verleiht. Obwohl morphologisch meist ununterscheidbar, weisen Schwarze Hefen eine ausgeprägte phylogenetische und ökologische Diversität auf. Aufgrund ihrer Beständigkeit in widrigen ökologischen Nischen, sind solche Mikroorganismen sowohl ubiquitär in Wüsten und auf Gletschern als auch dauerhafte Ansiedler von Stein- und weiteren umgebungsexponierten Oberflächen sowie anthropogenen Umgebungen wie Salzwerken, Luftbefeuchtungsanlagen und Geschirrspülern, und sind daher in der gemäßigten Klimazone weltweit verbreitet. Einige Mitglieder dieser Gruppe sind verheerende opportunistische Pathogene von Wirbellosen oder Wirbeltieren, einschließlich Menschen; für weitere Mitglieder, weisen einige Beobachtungen auf eine symbiotische Lebensweise mit gleichzeitig auftretenden Mikroorganismen an extremen Standorten hin. Neben ihrem Interesse in der Grundlagenforschung, sind Schwarze Hefen wichtig für zahlreiche angewandte Bereiche wie z.B. in der Biotechnologie, Astrobiologie, Bioremediation und im Materialschutz. Trotz neuerlicher Fortschritte in der Untersuchung solche Pilze, sind viele biologische Fragestellungen zurzeit noch abzuklären, wie z.B. hinsichtlich der molekularen Mechanismen ihrer Stresstoleranz, ihrer Physiologie und Ernährungsweise, und ihrer spezifischen Wechselwirkungen mit vermeintlichen symbiontischen Partnern. Modellorganismen für pathogene und salztolerante Schwarze Hefen sind bereits beschrieben; allerdings war noch kein passendes Modell für stein- und materialbesiedelnde Pilze vorhanden. Diese Doktorarbeit führt den Stamm Knufia petricola A95 als geeigneten Modellorganismus zur Untersuchung gesteinsbesiedelnder Lebensweise ein. Unter dieser Zielsetzung, wurde der Stamm auf physiologischer und molekularbiologischer Ebene anhand phänotypischer Microarrays, Genomanalysen, Wachstumsexperimenten und weiterer Methoden beschrieben. Zellwand-Mutanten von K. petricola A95 wurden während dieser Studie isoliert und beschrieben und in die komparative Analyse des Einflusses von Melanisierung auf Physiologie und Stresstoleranz eingeschlossen. Ein direkter Vergleich mit der phylogenetisch sehr unterschiedlichen, jedoch ökologisch, biogeographisch und morphologisch höchst ähnlichen gesteinsbesiedelnden Spezies Coniosporium apollinis wurde durchgeführt. Anfängliche Betrachtungen der Interaktionen zwischen K. petricola A95 und dem photosynthetisch aktiven Cyanobakterium Nostoc punctiforme ATCC 29133 wurden vorgestellt, um einen geeigneten Modellbiofilm aus gesteinsbesiedelnden Mikroorganismen zu etablieren. Die hier vorgestellten Ergebnisse sind ein Beitrag, um die Ökophysiologie und Extremotoleranz von Schwarzen Hefen zu verstehen.