Search

Phenylketonuria (PKU) is a metabolic disorder in which a deficiency in the conversion of phenylalanine leads to severe intellectual disability. Early and continuous treatment with a protein-restricted diet has been very successful, although several behavioral deficits still remain. In this thesis, we examined two elements that might be associated with this suboptimal outcome; the microbiome and sleep. The microbiota as a community will adapt to the elevated phenylalanine concentrations and/or the current dietary treatment. This can lead to changes in metabolites of the microbiome that can communicate with the brain via the “gut-microbiome-brain” (GMB) axis. We showed that the microbiome of the PKU mouse has indeed adapted to the PKU context, in which both diversity and composition are altered, depending on the severity of protein restriction. A pilot for follow-up research showed that both repeated oral gavage and cohousing were sufficient to transplant the microbiome into another mouse. The effects of sleep loss in PKU could directly underlie the suboptimal outcome. Our results confirmed increased fragmentation and diurnality in untreated PKU mice, although this did not seem related to the increased microglia activation in the hippocampus. Moreover, PKU mice showed disruptions in circadian stability and rhythmicity, which suggests a weakened circadian “time-keeping” system that might be a causal factor of sleep disturbances found at a behavioral level. Finally, a study in European PKU patients confirmed an increased prevalence of sleep disorders and other disturbances in men. The findings in this thesis demonstrate that PKU challenges the microbial community and the circadian system. These insights could provide opportunities for new treatment strategies, focusing on all facets of the disorder.

This thesis aims to increase our understanding of how the tripartite interaction between plant-animal-microbiota responds to an environmental change, i.e., inundation frequency. Particularly, this thesis focuses on the interactions among three community components of the late-successional stage of a salt marsh ecosystem in Western Europe. These key players are the tall grass Elytrigia atherica (Sea couch), the burrowing litter-feeding amphipod Orchestia gammarellus, and microbes, i.e., the plant and amphipod associated microbiota and soil microbiota. The results showed that salt marsh elevation, as a proxy of inundation frequency, was an important driver of soil properties, affecting both macro- and microbiota. However, the impact of the environmental changes associated with elevation varied depending on the organism, affecting their bacterial communities. On the one hand, the bacterial composition from the digestive tract of O. gammarellus was not significantly affected by elevation, which may be related to the low impact of the local environment on host life history and tolerance traits. On the other hand, elevation had a strong effect on E. atherica traits, rhizosphere, and root endosphere bacterial community composition. Furthermore, the interaction of O. gammarellus with E. atherica affected the taxonomic and functional components of soil bacterial communities differently compared to each component separately. Altogether, this thesis highlights the importance of including macroorganisms in soil microbial studies and vice versa since their response to disturbances are intimately linked to each other.

The risk where food demand will transcend crop production, propels the application of microbial technologies, including the provision of microbial inoculants to boost crop productivity. This approach is considered more sustainable and benign as it bypasses societal and environmental concerns from chemical inputs. However, there is a growing concern that these inoculants may become invasive. Thus, this thesis aims to investigate whether soil inoculation by microbes could alter the structure, composition, and metabolic potential of native soil microbiome. By making use the ecological concept of microbial invasion, we (i) explore the pattern and mechanism of Gram-positive spore-forming bacterial invasion, imposed by Bacillus spp; (ii) foster the understanding on microbial community-level consequences of soil microbial inoculation; (iii) examine the role of protists’ selective predation on the success of bacterial releases in soils; (iv) propose mechanistic framework, through resource competition and protist predation, on how microbial inoculants shift soil resident community structure and functioning.

The fruit fly Drosophila suzukii infests intact, ripening soft fruits using the serrated ovipositor. Originally from Asia, this fly has successfully invaded several parts of America and Europe in the last decade, resulting in direct economic losses in the horticultural sector. Microbes are important in a pest’s life history. This thesis focused on investigating the kinds of microbial associations in D. suzukii in the Netherlands. Overall, this thesis provided us with the fundamental information of D. suzukii’s microbial ecology in the Netherlands.

Our world is amazingly heterogeneous; from open landscapes to closed forests, from lowlands to highlands, and from arid plains to swamps. Different species adapt to these different conditions and perform best in that specific environment. But just being adapted to one condition is not enough as the world is also incredibly dynamic, both in space and time. Species may endure these changes, behaviourally adapt or perform some kind of ecosystem engineering. Also genetic adaptation is possible over several generation. In this thesis, I try to untangle which factors may influence adaptation. Understanding when adaptation is more likely to occur is important for conservation purposes or making better predictions. Adaptation is a complex process that is affected by its spatial and community context. By means of experiments with an arthropod model species we investigated this context for adaptation to a novel food source. The spatial context consisted of homo- or heterogeneous environments or differences in dispersal, while the community context included the presence of another species during adaptation or the influence of the present microbiome (micro-organisms assisting their hosts with for instance digestion and detoxification of food). Although I was able to explain more about the influence of dispersal, competition, and the microbiome, it is just a glimpse of what still needs to be discovered.

Plantengroei bevorderende rhizobacteriën (PBR) is een groep bacteriën die de wortels van de plant koloniseren en de plantengroei kunnen bevorderen. Inzicht in de moleculaire mechanismen van hoe planten en PBR naast elkaar kunnen bestaan ​​en van elkaar kunnen profiteren, kan nieuwe strategieën bieden om de gezondheid en productiviteit van planten te verbeteren. Dit kan leiden to duurzame alternatieven voor klassieke bestrijdingsmiddelen. Bacillus mycoides is een bacterie die veel aanwezig is in gezonde aardappelwortels en een sterk groei bevorderend potentieel heeft voor planten. In dit onderzoek hebben we het moleculaire mechanisme van de B. mycoides-plant interacties onderzocht. Hiertoe werd een multidisciplinaire benadering toegepast en werden nieuwe moleculair genetische hulpmiddelen ontwikkeld. De vergelijkende genoom analyses onthulden dat er een vermeende endofytische clade is binnen de B. mycoides-soort. Fluorescente eiwitten werden gebruikt om een endofytische en een bodemstam te labelen. Hun wortelkolonisatiepatronen werden bestudeerd met behulp van een confocale laserscanningmicroscoop, waaruit bleek dat de endofytische stam een ​​beter vermogen tot wortelkolonisatie heeft dan de bodemstam. Uit de transcriptoomanalyse bleek dat de endofytische stam een ​​breder scala aan substraten in de rhizosfeer-nis kan gebruiken dan de bodemstam. Er werd ontdekt dat sideroforen geproduceerd door B. mycoides de groei van planten met een ijzertekort bevorderen en een belangrijke rol spelen bij de interactie tussen deze bacteriën en planten.

Vanwege het belang van plant-microbe interacties voor het functioneren van ecosystemen is het essentieel om de ‘drivers’ van de wortel-geassocieerde microbiële gemeenschappen te bepalen. Het is bekend dat zowel de eigenschappen van de bodem als die van de gastheerplant een belangrijke rol spelen in het bepalen van de compositie en functioneren van de wortelgeassocieerde microbiële gemeenschappen. De selectieve kracht van de plant op het wortelmicrobioom kan variëren per locatie, aangezien de bodemeigenschappen, die de assemblage van de microbiële gemeenschappen in de bodem bepalen, variëren per bodemtype. Echter, de geobserveerde verschillen kunnen ook ontstaan als gevolg van verschillen in microbiële biogeografische patronen. In dit proefschrift richt ik me op deze vraag of planten een sterkere invloed uitoefenen op de selectie van wortelgeassocieerde microbiomen dan de fysische en chemische eigenschappen van de bodem, en tracht hem te beantwoorden door analyse van herhaalde monsters van dezelfde plantensoort in een natuurlijke gradiënt van bodemtypes in de primaire successie van de kwelder van Schiermonnikoog. De bevindingen verhogen onze kennis van de variatie in structuur en functies van de rhizosfeergemeenschappen langs de bodemvorming en van het effect die plantselectie uitoefent op endofietgemeenschappen. In het bijzonder de talrijke functionele profielen behorende bij deze endofieten, onafhankelijk van het bodemeffect in de kwelder, duidde op een selectie van (collectieve) eigenschappen, maar niet op selectie langs fylogenetische lijnen. Zo’n eigenschap-gebaseerde selectie is in overeenstemming met de veronderstelde invloed van plant-microbe interacties op de vestiging van planten, en zodoende met het functioneren van ecosystemen en successiepatronen.

Thema’s omtrent “gemeenschapssamenstelling” en “ecologische successie in bodems” zijn traditionele concepten binnen de ecologie, doch minder gewaardeerd in bodemmicrobiologie. Dit proefschrift is gericht op integratie van deze thema’s in microbiële ecologie door gebruik te maken van een natuurlijk gevormde kwelder als studiesysteem (ofwel een bodem chronosequentie). Voor dit doel maak ik gebruik van een tweeledig perspectief: (i) middels het verkrijgen van een beter inzicht in hoe verschillende mechanismen en ecologische processen samenspelen tijdens het samenstellen van microbiële gemeenschappen en hoe de spatio-temporele dynamiek door ecologische successie langs de chronosequentie bevorderd wordt; hier worden de fylogenetische en functionele aspecten van de gemeenschappen besproken — ‘het ecosysteem ecologie perspectief’, en (ii) middels het verkennen van dit natuurlijke ecosysteem om algemene ecologische principes en mechanismen in microbiële ecologie te vinden die potentieel toepasbaar zijn op andere systemen — ‘het microbiële ecologie perspectief’. Het eerste perspectief zorgt voor een beter begrip van variatie in microbiële gemeenschappen en verbind deze met potentiële veranderingen in het functioneren van een ecosysteem. Deze data zijn van cruciaal belang voor het ontwikkelen van modellen voor beter toezicht van kwelders, vooral met betrekking tot het toezicht op en het mitigeren van klimaatverandering en (andere) antropogene invloeden. Het tweede perspectief heeft als doel bij te dragen aan de voortdurende integratie van microbiële ecologie binnen het bredere veld van (theoretische) ecologie. Ik heb concepten van gemeenschapsecologie ontwikkeld en toegepast binnen de microbiologie, in een poging om onze kennis van mechanismen, welke de samenstelling van microbiële gemeenschappen en de dynamiek van successies reguleren, te verbeteren.

Lichaamseigen micro-organismen beïnvloeden veel eigenschappen van de gastheer, maar hun invloed op fysiologische flexibiliteit wordt vaak over het hoofd gezien. Door eieren te gebruiken als een eenvoudig model voor de vogel, heb ik de link tussen microbiële gemeenschappen en antimicrobiële afweersystemen kunnen onderzoeken. Ik focus mij op de familie van de leeuwerik (Alaudidae), die voorkomt in grote delen van Eurazië en Afrika, maar overal overeenkomstige eigenschappen heeft. Met een zelf-ontwikkelde techniek om het eierschaal-bioom te karakteriseren, heb ik aangetoond dat dit micro-bioom en de antimicrobiële eiwitten in het ei dynamisch zijn. Zowel de bacteriedichtheid en -diversiteit, als de aanwezigheid van bepaalde antimicrobiële eiwitten nemen toe tijdens de broedperiode. Het micro-bioom van de eischaal lijkt bovendien een paar dagen na het leggen al meer op die van de veren van de moeder, dan die van de cloaca of het nest. Dit benadrukt het belang van horizontale transmissie voor micro-organismen. Omdat microbiële gemeenschappen worden beperkt door omgevingsfactoren, heb ik vervolgens micro-biomen van eischalen tussen klimatologisch verschillende omgevingen in Kenia onderzocht. Eischalen uit een koelere omgeving hadden een grotere bacteriedichtheid, terwijl het warmste gebied de meeste diversiteit vertoonde. Er was echter geen verschil in antimicrobiële eiwitten. Ik vond geen verschil tussen micro-biomen van Keniaanse en Nederlandse eischalen. Ondanks de lage variatie in afweereigenschappen, vond ik wel correlaties tussen bacteriesoorten en antimicrobiële eiwitten. Het onderzoeken van de functionele diversiteit van micro-biomen van eischalen zal inzicht geven in de rol die zij spelen in het reduceren van kostbare maternale investeringen in het afweersysteem van eieren.

Microbiële invasies zijn er in vele vormen. Ze kunnen de vorm hebben van een infectie die we oplopen, de probiotica die we eten of de natuurlijke groei van microben buiten hun habitat. De processen, patronen, en mechanismen die een invasie controleren waren tot voor kort onbekend. In dit proefschrift onderzoeken we deze aspecten door de meest recente wetenschappelijke inzichten te bundelen. Deze bundeling is het fundament en bron van onze verdere vragen en experimenten. Door een model-invasie-systeem te gebruiken waarin Escherichia coli, de invaderende bacterie, een grondmonster binnendringt ontdekten we dat het lot van de binnendringer voor een groot deel bepaald wordt door de biologische diversiteit van de microben in de grond. Bij een grote diversiteit is de invasie laag, en bij een lage diversiteit is de invasie groot. Verder vonden we dat een grote microbiële diversiteit een groter beroep doet op de natuurlijke bronnen in de grond dan een minder diverse gemeenschap microben. Dit laat weinig over voor een binnendringer waardoor de kans op een succesvolle invasie klein wordt. Maar zelfs wanneer een invasie niet succesvol is, heeft de poging wel een effect op de samenstelling van microben in de grond. Sommige populaties groeien terwijl anderen slinken. Deze observatie onderstreept de dynamische aard en complexiteit van microbiële invasies. Toepassing van het principe dat diversiteit en voeding het succes van een binnendringer bepalen, biedt een veelbelovend pad om de efficiëntie van praktische toepassingen te verbeteren. Toepassingen waarbij de microbiële invasies gecontroleerd en berekend moeten worden zoals biocontrol agents, biofertilizers en probiotische behandelingen.