Genomanalysen liefern Erkenntnisse zur Evolutionsbiologie
Süßwasserbakterien begrenzt anpassungsfähig
Die Süßwasserressourcen sind begrenzt: Sie machen nur 3,5 Prozent des Wassers auf der Erde aus, wobei nur 0,25 Prozent an der Oberfläche zugänglich sind. Dennoch sind Süßwasserseen aufgrund ihrer hohen biologischen Produktivität und mikrobiellen Aktivität wesentlich, damit Ökosysteme und der globale Kohlenstoffkreislauf funktionieren. Seen sind überlebenswichtig, da sie Trinkwasser liefern, und sie sind von Bedeutung für Landwirtschaft und Fischerei. Der Klimawandel – insbesondere steigende Temperaturen – bedroht jedoch diese Lebensräume. Die rasanten Veränderungen stören die mikrobiellen Gemeinschaften, die für den Nährstoffkreislauf und die Aufrechterhaltung der Wasserqualität unerlässlich sind.
Wasserproben aus fünf Jahren untersucht
"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 Dr. 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", so Andrei. Diese Stockung widerspricht der allgemeinen Erwartung, dass sich die Mikroorganismen an veränderte Umweltbedingungen anpassen. "Unsere Studie unterstreicht, wie wichtig es ist, die Grenzen der bakteriellen Anpassungsfähigkeit zu kennen", ergänzt der Wissenschaftler. "Denn diese mikrobiellen Gemeinschaften erfüllen lebenswichtige ökologische Funktionen in Süßwassersystemen."
Sekretierte Proteine als Indikatoren für evolutionäre Anpassung
Bakterien passen sich vor allem über diejenigen Proteine, die aus der Zelle abgesondert oder an die Zellmembran gebunden werden, an ihre Umwelt an. Diese Eiweiße spielen eine entscheidende Rolle bei der Nährstoffaufnahme, der interbakteriellen Kommunikation sowie beim Erkennen von Umweltreizen und der Reaktion darauf. Wie gut sich Bakterien anpassen können, hängt in der Regel von der Vielfalt der Gene ab, die die Baupläne für diese Proteine tragen. Doch wie die Resultate zeigen, ist bei Süßwasserbakterien mit geringer Genomgröße die Variation in diesen Genen überraschend gering – was auf eine Phase stagnierender Anpassung hindeutet. "Für diese Mikroorganismen könnte es daher schwierig sein, sich an rasch ändernde Umweltbedingungen anzupassen", so Andrei.
Begrenzte Fähigkeit zur Anpassung an Umweltveränderungen
Die Forschenden vermuten, dass diese Bakterien einen "Fitness-Höhepunkt" mit idealen Proteinstrukturen und Aktivitätsniveaus, also im Laufe der Evolution bezogen auf ihre Proteine bereits einen optimalen Zustand erreicht haben. Weitere größere Veränderungen sind weder vorteilhaft noch notwendig, damit die Mikroorganismen in ihren ökologischen Nischen überleben. Damit wird allerdings auch die Fähigkeit eingeschränkt, neue genetische Variationen zu erproben und sich erfolgreich an dynamische 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.
Originalpublikation:
Lucas Serra Moncadas, Cyrill Hofer, Paul-Adrian Bulzu, Jakob Pernthaler, Adrian-Stefan Andrei. Freshwater genome-reduced bacteria exhibit pervasive episodes of adaptive stasis. Nature Communications 15, 3421 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47767-7
Quelle: Universität Zürich
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