More than a gut feeling: microbiota, redox molecules and their impact on planarian responses

Abstract

Although mostly invisible by the naked eye, we live in a world full of microorganisms. Virtually all animals come into contact with bacteria, viruses and/or fungi and form the so-called microbiome. These intense associations shape the animal’s physiology and are pivotal for its health, especially since microbial disturbances are often linked with diseases. As invertebrates, planarians represent an important group of organisms that are often overlooked in microbiome studies. Given their diversity, these flatworms are adapted to a variety of terrestrial and aquatic environments, resulting in a plethora of host-microorganism interactions. Apart from being subject to biodiversity and ecotoxicology studies, especially planarian species with the capacity to fully restore damaged and lost body parts (i.e. Schmidtea mediterranea and Dugesia japonica) are employed in experimental research as model for wound healing, regeneration and development. In all these different research topics, the microbiome is a central player with several links to animal physiology. Therefore, the goal of my PhD research was to study the microbiome and its role in planarian physiology. It was already known that bacterial disturbances lead to a decreased appetite, motility loss, tissue lesions and degeneration. However, an in-depth understanding of the link between bacteria and planarian physiology is lacking. In this research I took the initial steps in unravelling this intriguing interaction. In the first part of this study, I made a detailed characterisation of the planarian microbiome and determined its location, bacterial composition and diversity, as well as the factors shaping it. In Chapter 1, I found that especially the planarian gut and epidermis are colonised by bacteria. Overall, bacteria of the order Betaproteobacteriales dominate the microbiome of S. mediterranea. Although not all to the same extent, both intrinsic and extrinsic factors shape the bacterial composition. Especially body site, stage in the regeneration process and exposure to environmental pollutants had an impact. Also illustrated by individual variation and fluctuations over time, I concluded that the planarian microbiome is very variable and highly dependent on its environment. In Chapter 2, I studied one extrinsic factor of variation more in detail, namely the exposure to silver nanoparticles. Due to their antibacterial properties, these particles are widely used in a variety of applications, although it is not yet known if they are completely safe. Exposure to silver nanoparticles consistently decreased bacteria of the order Betaproteobacteriales and more specific the genera Curvibacter and Undibacterium. In developing worms the effect was less pronounced, possibly because underlying bacterial community changes during regeneration mask the exposure effect. In Chapter 3, the microbiome of S. mediterranea was put into perspective to identify unique and common characteristics in flatwormmicroorganism associations. The microbiomes of tree species of Rhabdocoela were distinct from each other and S. mediterranea. In contrast, regenerative planarians of different origins shared several bacterial taxa, suggesting that in flatworms host specificity, habitat and feeding behaviour play an important role in shaping the microbiome. In the second part, I investigated the link between the microbiome and physiological state of S. mediterranea, thereby focusing on redox molecules. In Chapter 4, I first investigated the planarian redox balance more in detail, considering its pro- and antioxidative molecules as a dynamic unit that cannot be seen separately. Both the planarian gut and epidermis showed high redox activity, highlighting the dynamic nature of the redox balance in diverse physiological stages. Interfering with either side of the balance resulted in an altered planarian physiology, characterised by impaired stem cell dynamics and regeneration. Based on the previous results and available literature I hypothesised a reciprocal link between the redox balance and the planarian microbiome. Therefore, in Chapter 5, I explored this interaction and found preliminary evidence that interfering with the redox balance modulates the planarian microbiome. In summary, the data presented in this thesis show that both the planarian itself and its environment shape the bacterial microbiome of S. mediterranea and give it a highly variable nature. The redox balance was shown to be linked with both the microbiome and planarian physiology and future studies focusing on microbiome functionality will further unravel this reciprocal interaction.

We leven in een wereld micro-organismen, echter onzichtbaar voor het blote oog. Zowat alle dieren komen in contact met bacteriën, virussen en/of schimmels die het zogenoemde microbioom vormen. De intense interacties tussen beide bepalen de algemene fysiologie van het dier, aangezien verschillende ziekten geassocieerd zijn met microbiële verstoringen. Platwormen representeren als ongewervelden een belangrijke groep dieren die onder gerepresenteerd zijn in microbioom studies. Dankzij hun diverse karakter zijn platwormen aangepast aan verschillende levensomstandigheden, zowel op het land als in het water, hetgeen zich vertaalt in diverse types van interacties tussen micro-organismen en hun gastheer. Platwormen worden als studieobject gebruikt in onderzoek naar biodiversiteit en ecotoxicologie. Bovendien dragen specifieke platwormsoorten die in staat zijn beschadigde en verloren lichaamsdelen te herstellen (o.a. Schmidtea mediterranea en Dugesia japonica) bij in het onderzoek naar wondheling, regeneratie en ontwikkeling. In al deze verschillende onderzoeksdomeinen is het microbioom een centrale speler met verscheidene connecties naar fysiologie en gezondheid. Daarom was de doelstelling van mijn PhD onderzoek om het microbioom en zijn rol in platwormen te bestuderen. Het was al geweten dat een onevenwicht in het microbioom leidt tot een verlies aan eetlust en mobiliteit alsook laesies en degeneratie van weefsel. Een gedetailleerd begrip van deze interactie tussen bacteriën en platworm fysiologie ontbreekt echter nog. In dit onderzoek zette ik daarom de eerste stappen in het ontrafelen van deze intrigerende wisselwerking. In het eerste deel van deze studie heb ik het platworm microbioom in detail gekarakteriseerd en bepaalde ik de plaats waar de bacteriën zich bevinden, welke bacteriën aanwezig zijn en welke factoren de bacteriële samenstelling en diversiteit beïnvloeden. In Hoofdstuk 1 duid ik de darm en het epidermis aan als voornaamste plaatsen waar bacteriën koloniseren. Het microbioom van S. mediterranea bestaat voornamelijk uit bacteriën van de orde Betaproteobacteriales. Zowel intrinsieke als extrinsieke factoren beïnvloeden de bacteriële samenstelling, waarbij vooral de plaats op en in het lichaam, het stadium in het regeneratieproces en de blootstelling aan polluenten uit het milieu variatie veroorzaken. Uit de data besloot ik dat het platworm microbioom erg veranderlijk is en zeer afhankelijk van zijn omgeving, hetgeen ook geïllustreerd werd door variatie tussen individuen en schommelingen doorheen de tijd. In Hoofdstuk 2 bestudeerde ik één extrinsieke factor meer in detail, namelijk de blootstelling aan zilvernanopartikels. Deze partikels worden dankzij hun antibacteriële eigenschappen veelvuldig gebruikt, maar het is nog niet gekend of ze volledig veilig zijn. Blootstelling aan zilvernanopartikels verminderde consistent bacteriën van de orde Betaproteobacteriales (specifiek de genera Curvibacter en Undibacterium). In ontwikkelende wormen was het effect minder uitgesproken, waarschijnlijk omdat bacteriële veranderingen onderliggend aan het regeneratieproces het effect van de blootstelling maskeren. In hoofdstuk 3 werd het microbioom van S. mediterranea in perspectief geplaatst om zo gelijkaardige en unieke eigenschappen van interacties tussen platwormen en micro-organismen te identificeren. Drie soorten Rhabdocoela verschilden onderling in hun microbioom en waren ook verschillend van dat van S. mediterreanea. Echter, regeneratieve platwormen van uit diverse onderzoekslaboratoria hadden een heel aantal bacteriële taxa gemeenschappelijk. Deze resultaten suggereren dat ook in platwormen gastheer specificiteit, habitat en voedingsgedrag een belangrijk rol spelen in de samenstelling van het microbioom. In het tweede deel bestudeerde ik de link tussen het microbioom en de fysiologische status van S. mediterranea, waarbij ik mij in het bijzonder toelegde op de samenhang met redox moleculen. Als startpunt karakteriseerde ik in Hoofdstuk 4 de redox balans in platwormen, daarbij de pro- en anti-oxidatieve elementen als een dynamische eenheid beschouwend, waarvan de componenten niet los van elkaar gezien kunnen worden. Zowel de darm als het epidermis vertoonden een hoge redox activiteit en de dynamische natuur van redox moleculen werd bevestigd in diverse fysiologische condities. Inwerken op zowel de pro- als anti-oxidatieve zijde van de redox balans resulteerde in een verandering in platworm fysiologie, gekenmerkt door een verstoring van stamcel responsen en regeneratie. Gebaseerd op voorgaande resultaten en beschikbare literatuur stelde ik dat er een wederzijdse link is tussen de redox balans en het microbioom van de platworm. Daarom heb ik in Hoofdstuk 5 een aanzet gegeven om deze interactie te onderzoeken en vond ik een eerste aanwijzing dat een verstoring van de redox balans leidt tot veranderingen in het platworm microbioom. Samengevat tonen de data in deze thesis aan dat de platworm zelf en zijn omgeving het bacteriële microbioom van S. mediterranea bepalen. De redox balans was gelinkt met zowel het microbioom als de fysiologie van de platworm en toekomstig onderzoek waarin de nadruk gelegd wordt op bacteriële functies kan meer inzicht geven in deze wederzijdse interactie.