Da Schwämme die ältesten der existierenden mehrzelligen Organismen sein könnten, verkörpert der Schwamm-Mikroben-Holobiont daher vielleicht eines der ältesten erhaltenen Beispiele für eine Mikroben-Metazoen-Symbiose. Diese uralte symbiotische Beziehung gehört mit über 8000 weltweit verbreiteten Schwammarten zu den komplexesten und vielfältigsten Holobionten in marinen Habitaten. Die mikrobiellen Symbionten können bis zu 35% der gesamten Biomasse von Schwämmen ausmachen, und es wurde festgestellt, dass Mikrobiomgemeinschaften artenspezifisch und über verschiedene prokaryotische taxonomische Ebenen hinweg stabil assoziiert sind. Als Hauptbewohner vieler benthischer Meeresumgebungen sind Schwämme durch ihre Filterfähigkeiten in der Lage, kritische biogeochemische Prozesse zu vermitteln, von denen in einigen Fällen überzeugend gezeigt wurde, dass sie den Aktivitäten ihrer symbiotischen Mikroben zugeschrieben werden können. Die Verwendung von Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation hat, zusammen mit anderen modernen Techniken der Molekularbiologie, eine Fülle von Daten zum Schwammmikrobiom geliefert. Damit wurde begonnen, die spezifischen mikrobiellen Symbionten und die wahrscheinlichen Gene und Stoffwechselwege zu identifizieren, die bisher ubersehener biogeochemische Funktionen vermitteln, sowie potenzielle symbiotische oder Umweltinteraktionen zu entschlüsseln. Die Liste der vorgeschlagenen symbiotischen Funktionen ist zweifellos sehr umfangreich geworden, und es überrascht nicht, dass die Beispiele für eindeutige funktionelle Zuordnungen zu bestimmten Symbionten für diese neu angenommenen Funktionen eher selten waren. Beispiele für genaue funktionale Bezeichnungen für bestimmte Symbionten waren angesichts der Länge der Liste potenzieller symbiotischer Aktivitäten sowie aufgrund der Schwierigkeit, dominante Schwamm-Holobionten-Mitglieder zu kultivieren und Schwamm-Holobionten auf gezielte, sinnvolle Weise experimentell zu manipulieren, recht selten. Das Ziel der in dieser Dissertation zusammengetragenen Arbeit ist es daher, die Ökophysiologie des dominanten Schwammmikrobioms im Meeresschwamm Ianthella basta durch eine Kombination aus Metaproteogenomik, Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung, qPCR und hypothesengetriebenen Laborinkubationen in Verbindung mit Isotopen-basierten funktionellen Assays zu untersuchen. Der erste Schwerpunkt lag auf der ökophysiologischen und metaproteogenomischen Charakterisierung des dominanten Thaumarachae-Symbionten 'Candidatus Nitrospongia ianthellae', und dies führte zur Demonstration, dass er für die Ammoniakoxidation innerhalb des Schwamm-Holobionten verantwortlich ist, und dass er mehrere gemeinsame adaptive genomische Merkmale beherbergt mit anderen Thaumarchae-Schwammsymbionten, sowie anderen konvergenten Funktionen, die in Schwammmikrobiomen gefunden werden. Der nächste Schwerpunkt lag auf dem dominanten gammaproteobakteriellen Symbionten „Candidatus Taurinisymbion ianthellae“, und mit einem ähnlichen Ansatz wurde gezeigt, dass er Kohlenstoff und Stickstoff aus dem endogenen Taurin des Schwamms einbaut, welches er dissimilierte; dabei Sulfit zu Sulfat oxidiert, und Ammoniak für 'Candidatus Nitrospongia ianthellae' für die Ammoniakoxidation bereitstellt. Schließlich wurde mit zusätzlicher metagenomischer Sequenzierung und Metaproteomik des I. basta-Holobionten das volle genomisch vorhersagbare metabolische Potenzial seines Mikrobioms bereitgestellt, was einen umfassenden Rahmen ermöglicht, in dem I. basta in zukünftigen manipulativen Experimenten verwendet werden kann.

Since sponges may be the most ancient of the extant multicellular organisms, the sponge-microbe holobiont therefore perhaps embodies one of the oldest extant examples of microbial-metazoan symbiosis. This ancient symbiotic relationship has resulted in of the most complex and diversified holobionts in the marine environment, with >8000 globally distributed sponge species. The microbial symbionts within sponges can comprise up to 35% of total sponge biomass, and microbiome communities have been found to be species-specific and stably associated across various prokaryotic taxonomic levels. As major denizens of many marine benthic environments, sponges, through their filter feeding capabilities, are able to mediate critical biogeochemical processes, that have been convincingly demonstrated, in some cases, to be attributed to the actions of their microbial symbionts. The use of next-generation sequencing technologies, alongside state-of-the-art techniques, have provided a glut of sponge microbiome data that began to identify the specific microbial symbiont(s) and the likely genes and metabolic pathways that are active in mediating hitherto overlooked biogeochemical functions as well as potential symbiotic or environmental interactions. The list of proposed symbiotic functions from this era have undoubtedly grown quite expansive, and unsurprisingly the examples of clear-cut functional assignments to specific symbionts for these newly hypothesized functions has been rather rare. Examples of precise functional designations to specific symbionts have been quite scarce given the length of the list of potential symbiotic activities, as well as due to the difficulty in cultivating dominant sponge holobiont members and experimentally manipulating sponge holobionts in targeted, meaningful ways. The goal of the work assembled in this dissertation is thus to interrogate the ecophysiology of dominant sponge microbiome residing in the marine sponge, Ianthella basta, through a combination of metaproteogenomics, fluorescence in situ hybridization, qPCR, and hypothesis-driven laboratory incubations coupled with isotope-based functional assays. The first focus was on the ecophysiological and metaproteogenomic characterization of the dominant thaumarachaeal symbiont, ‘Candidatus Nitrospongia ianthellae’, and this resulted in the demonstration that it is responsible for ammonia oxidation within the sponge holobiont and that it hosts several adaptive genomic features shared with other thaumarchaeal sponge symbionts as well as other convergent functions found in sponge microbiomes. The next focus was on the dominant gammaproteobacterial symbiont ‘Candidatus Taurinisymbion ianthellae’ and using a similar approach, it was demonstrated that it incorporates carbon and nitrogen derived from sponge endogenous taurine, oxidizes the dissimilated sulfite into sulfate for export, and provides the dissimilated ammonia to ‘Candidatus Nitrospongia ianthellae’ for ammonia oxidation. Finally, with additional metagenomic sequencing and metaproteomics of the I. basta holobiont, the full genomically predictable metabolic potential of its microbiome is provided, enabling an encompassing framework within which to use I. basta in future manipulative experiments.