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Überraschende Reaktion von Süsswasserbakterien auf Umweltveränderungen

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Autor: Sarah Hofer

Bakterien-Vielfalt im Wasser des Zürichsees, analysiert von UZH-Forschenden der Limnologischen Station.
Quelle: Martina Schalch /Universität Zürich

15. Mai 2024 | Forscher der Universität Zürich haben herausgefunden, dass Süsswasserbakterien mit einem kleinen Genom sich überraschend langsam anpassen. Diese Erkenntnis basiert auf der Analyse von Genen aus Proben des Zürichsees und anderen europäischen Seen. Ein tieferes Verständnis dieser evolutionären Dynamik ist entscheidend, um die Leistungsfähigkeit von See-Ökosystemen zu erhalten.

Die begrenzten Süsswasserressourcen machen nur 3,5 Prozent des globalen Wasservorkommens aus, wovon lediglich 0,25 Prozent an der Oberfläche verfügbar sind. Trotzdem spielen Süsswasserseen eine entscheidende Rolle für die Funktion von Ökosystemen und den globalen Kohlenstoffkreislauf aufgrund ihrer hohen biologischen Produktivität und mikrobiellen Aktivität.

Herausforderungen für Süßwassersysteme

Sie sind lebenswichtig für die Menschen, da sie Trinkwasser bereitstellen und Landwirtschaft, Fischerei sowie Freizeitaktivitäten unterstützen. Allerdings bedroht der Klimawandel, insbesondere steigende Temperaturen, diese Ökosysteme. Die schnellen Veränderungen beeinträchtigen die mikrobiellen Gemeinschaften, die für den Nährstoffkreislauf und die Aufrechterhaltung der Wasserqualität unentbehrlich sind.

«Für die Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen und die nachhaltige Bewirtschaftung von Ressourcen ist es entscheidend, wie sich die Bakterienarten in Süsswasserseen an sich verändernde Umweltbedingungen anpassen», sagt Adrian-Stefan Andrei. Er ist Leiter des Labors für Mikrobielle Evogenomik am Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie der Universität Zürich (UZH).

Mit seiner Forschungsgruppe analysierte er Proben, die zwischen 2015 und 2019 aus fünf europäischen Süsswasserseen gesammelt wurden: dem Zürichsee, dem Thunersee und dem Bodensee in der Schweiz sowie dem Římov-Stausee und dem Jiřická-See in der Tschechischen Republik.

Die Anpassung an ökologische Nischen ist der wichtigste evolutionäre Mechanismus, der die Diversifizierung von Populationen und die Entstehung neuer Arten vorantreibt.

«Unsere Ergebnisse zeigen überraschenderweise, dass Süsswasserbakterien, die über ein kleines Genom verfügen, oft längere Phasen des adaptiven Stillstands durchlaufen», sagt Andrei.

Diese Unterbrechung steht im Gegensatz zur weit verbreiteten Erwartung, dass sich Mikroorganismen an veränderte Umweltbedingungen anpassen.

«Unsere Forschung betont die Bedeutung des Verständnisses der Grenzen der Anpassungsfähigkeit von Bakterien”, fügt der Wissenschaftler hinzu. “Denn diese mikrobiellen Gemeinschaften spielen eine entscheidende Rolle bei lebenswichtigen ökologischen Prozessen in Süßwassersystemen.»

Proteine als Schlüssel zur Anpassung: Herausforderungen für Bakterien mit geringer Genomgröße

Die Anpassung von Bakterien an ihre Umwelt erfolgt hauptsächlich über bestimmte Proteine, die entweder aus der Zelle freigesetzt oder an die Zellmembran gebunden werden. Diese Proteine sind entscheidend für die Aufnahme von Nährstoffen, die Kommunikation zwischen Bakterien sowie die Erkennung und Reaktion auf Umweltreize. Die Anpassungsfähigkeit von Bakterien hängt normalerweise von der Vielfalt der Gene ab, die die Baupläne für diese Proteine enthalten. Interessanterweise zeigt sich jedoch bei Süsswasserbakterien mit geringer Genomgrösse eine überraschend geringe Variation in diesen Genen, was darauf hindeutet, dass sie möglicherweise in einer Phase stagnierender Anpassung stecken. Dies könnte bedeuten, dass es für diese Mikroorganismen schwierig ist, sich schnell verändernden Umweltbedingungen anzupassen, wie Andrei betont.

Die Forschenden vermuten, dass diese Bakterien einen Höhepunkt ihrer Fitness erreicht haben, indem sie ideale Proteinstrukturen und Aktivitätsniveaus entwickelt haben. Im Laufe der Evolution haben ihre Proteine bereits einen optimalen Zustand erreicht, wodurch weitere größere Veränderungen weder vorteilhaft noch notwendig sind, um das Überleben der Mikroorganismen in ihren ökologischen Nischen zu gewährleisten. Allerdings wird dadurch auch die Fähigkeit eingeschränkt, neue genetische Variationen zu erforschen und sich erfolgreich an sich verändernde Umweltbedingungen anzupassen.

«Wir müssen uns mit den zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels auseinandersetzen. Sie sind eine erhebliche Bedrohung für die Süsswasserlebensräume, die besonders anfällig für anthropogene Veränderungen sind», sagt Adrian-Stefan Andrei.

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