Ungewöhnliche Symbiose zwischen marinen Mikroorganismen entdeckt

Einzellige Algen und stickstofffixierende Bakterien tauschen Kohlenstoff und Stickstoff in symbiotischer Beziehung aus

20. September 2012

Ein internationales Team von Wissenschaftlern aus den USA, Frankreich und Deutschland hat eine ungewöhnliche Symbiose zwischen einzelligen Algen und hochspezialisierten Bakterien entdeckt. Diese Symbiose zwischen den beiden Organismen ist bisher einzigartig und spielt eine wichtige Rolle bei der Düngung der Weltmeere mit Stickstoffverbindungen.

Seewasser wurde während der BIOSOPE Ausfahrt gesammelt.

Die ersten Hinweise dieser Symbiose kamen ans Licht, als Forscher eine merkwürdige Mikrobe genauer untersuchten, die Stickstoff fixieren kann, jedoch nur ein stark verkleinertes Genom aufwies. Entdeckt hat sie John Zehr, Meeresforscher aus Santa Cruz, USA, schon 1998. Inzwischen schätzt man, dass dieses Bakterium mit zu den am weitesten verbreiteten Stickstoff-Fixierern, den fotosynthetisch aktiven Cyanobakterien der Ozeane gehört. Allerdings fehlen dieser Spezies neben den Genen für die Fotosynthese auch andere essenzielle Gene für den Stoffwechsel. Es scheint so, dass diese Funktionen von der Wirtszelle, einer fotosynthetisch aktiven Alge, übernommen werden.

„Das Cyanobakterium sorgt für die lebensnotwendigen Stickstoffverbindungen, die Wirtszelle für den notwendigen Kohlenstoff “, erläutert Anne Thompson, Post Doc im Labor von John Zehr. Mit ihrer Kollegin Rachel Foster vom Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie teilt sie sich die Erstautorschaft dieser Studie, zu der beide Forscherinnen in gleichem Maße beigetragen haben.

Um das Rätsel zu lösen, kamen Techniken wie Zellsortierung und DNA-Sequenzierung zum Einsatz. Die Wirtszelle gehört zur Klasse der weit verbreiteten Prymnesiophyten, die in allen Weltmeeren zu finden und die mit 1 bis 3 Mikrometern sehr klein sind. Das noch kleinere Cyanobakterium sitzt huckepack in einer Mulde der Wirtszelle.

„Diese Symbiose ist nicht nur wegen der Stickstofffixierung interessant. Wir sehen sie als frühes evolutionäres Modell, welches zur Entwicklung der heutigen Chloroplasten führte“, sagt Zehr. Chloroplasten sind in allen Pflanzenzellen diejenigen Zellbestandteile, die die Fotosynthese betreiben. Man kann sich die Entwicklung der Chloroplasten so vorstellen, dass in einer frühen Phase der Evolution symbiotische Cyanobakterien durch Endosymbiose in die Wirtszelle integriert wurden. „Und hier sehen wir Parallelen zu unser neu entdeckten Stickstoff-Fixierer-Symbiose“, sagt Thompson. „Es sieht so aus, dass das Cyanobakterium in einer kleinen Mulde auf der Wirtszelle sitzt. Und die Verbindung ist fest genug, um den Zellsorter zu überstehen, doch leider nicht stark genug für Filtrationstechniken.“

Die symbiotische Beziehung nachzuweisen, war kein Kinderspiel. Das Hauptproblem war anfangs die Probenaufbereitung. Die Forscher konnten nur vermuten, dass das Cyanobakterium mit dem vorläufigen Namen UCYN-A in einer Art Symbiose leben musste. Denn im Genom des Cyanobakteriums fanden sie, dass wichtige Schlüsselgene des Stoffwechsels fehlten. Der Durchbruch kam, als die Forscher die frisch gewonnenen Wasserproben an Bord des Forschungsschiffes direkt durch den Zellsorter schickten. So blieb die Wirtszelle mit dem Cyanobakterium verbunden und ihre enge Verbindung konnte erstmals nachgewiesen werden.

Diese Bild zeigt eine Prymnesiophyte vom Stamm der Nannochloris sp., die Ähnlichkeiten mit der Wirtszelle aufweist.

Der nächste Schritt war, zu untersuchen, was genau zwischen Wirtszelle und Cyanobakterium an Austausch von Kohlenstoff und Stickstoffverbindungen passiert. Ein besonderes Massenspektrometer, ein nanoSIMS, kam hierfür zum Einsatz. Rachel Foster vom Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie erläutert das Verfahren: „Mit besonders markierten Substraten konnten wir den interzelluären  Austausch nachweisen. Dazu gaben wir in diese mit 13C und 15N markierten Substanzen direkt in die Meerwasserprobe. Die Zellen nahmen die Verbindungen auf, anschließend schickten wir das Gemisch durch den Zellsorter und sammelten die Fraktion mit den 1 bis 3 Mikrometer großen Zellen.“

Um das gesuchte Cyanobakterium UCYN-A neben der Vielzahl anderer fotosynthetisch aktiver Bakterien nachzuweisen, setzten die Bremer Max-Planck-Forscher eine besondere Gen-Sonde ein, die von Niculina Musat entwickelt wurde. Marcel Kuypers, Direktor am Max-Planck-Institut erklärt: „Diese Gen-Sonde bindet nur an die gesuchten Cyanobakterien und trägt zusätzlich ein Fluor-Atom, das in dem nanoSIMS-Gerät ein deutliches  Signal hinterlässt.“ Die nanoSIMS-Ergebnisse zeigten eindeutig die Assoziierung von Wirtszelle und Cyanaobakterium und die jeweiligen Mengen von Kohlenstoff und Stickstoff.

Thompson ist begeistert: „Das ist schon ein großartiges Messinstrument. Mit dem können wir gleichzeitig die Phylogenie und den Stoffwechsel der Zellen verfolgen. Oder vereinfacht gesagt: Wer macht was mit wem.“

Wie hoch der Beitrag dieser Zellen an den globalen Kohlenstoff- und Stickstoffzyklen ist, lässt sich zurzeit noch nicht sagen. Zumindest sind diese besonderen Zellen sehr weit verbreitet und die Cyanobakterien tragen wahrscheinlich wesentlich zur globalen Stickstoff-Fixierung bei“, fasst John Zehr die Ergebnisse zusammen.

„Untersuchungen zu planktonischen Symbiosen gibt es nur wenige, weil diese schwierig zu untersuchen sind. Sie sind sehr zerbrechlich. In unserer Studie gelang es uns, die Strukturen zu bewahren. So konnten wir zum ersten Mal eine wechselseitige Partnerschaft im Plankton nachweisen“, sagt Rachel Foster.

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