Wie kommen Hitze liebende Bakterien in die Arktis?

Evolutionäre Anpassung oder doch eher passive Verbreitung: Was bestimmt die mikrobielle Diversität in der Umwelt? Ein internationales Team um die Mikrobiologen Albert Müller und Alexander Loy von der Universität Wien und dem Österreichischen Polarforschungsinstitut erforschte die Biogeographie von Sporen Hitze liebender Bakterien im kalten Meeresboden und fand Erstaunliches: Physikalische Verbreitungsbarrieren gibt es auch für einzellige Kleinstlebewesen, und sie beeinflussen die lokale Diversität mariner Mikroorganismen. Ihre Arbeit wurde aktuell in der Fachzeitschrift “The ISME Journal” veröffentlicht.

Eisbären gibt es nur am Nordpol. Geographische Verbreitungsbarrieren haben dafür gesorgt, dass sie nie an den Südpol gelangten – wo sie aufgrund der herrschenden Umweltbedingungen durchaus leben könnten. Solche biogeographischen Verbreitungsmuster sind gut dokumentiert für Tiere und Pflanzen, für Kleinstlebewesen wie Bakterien und Archaeen allerdings nicht. Ursprünglich ging man davon aus, dass Mikroorganismen sehr leicht von einem Ort zum anderen transportiert werden, zum Beispiel über Wasser- oder Luftströmungen, und somit eigentlich überall zu finden sein müssten.

Inzwischen gibt es Hinweise aus zahlreichen Studien, dass eben nicht alle Bakterienarten überall zu finden sind. Ein generelles Problem dieser mikrobiellen Biogeographiestudien ist aber, dass es schwer zu unterscheiden ist, ob die mikrobielle Diversität an einem Standort eher durch evolutionäre Anpassung der Mikroorganismen an den Lebensraum oder durch ihre passive Verbreitung bestimmt wird.

Fjord im arktischen Spitzbergen. Image copyright: Alexander Loy

Fjord im arktischen Spitzbergen. Image copyright: Alexander Loy

“Schlafende” Bakterien

Die Untersuchung der Biogeographie von bakteriellen Sporen, also “schlafenden” Bakterien in Überdauerungsstadien, liefert die Lösung für dieses Dilemma. “Sporen von Hitze liebenden Bakterienarten an kalten Standorten reagieren nicht auf die für sie unwirtlichen Umweltbedingungen. Ihre Biogeographie in kalten Gefilden ist daher fast ausschließlich eine Folge ihrer passiven Verbreitung und eben nicht ihrer evolutionärer Anpassung durch genetische Mutation”, erklärt Mikrobiologe Alexander Loy.

Weltkarte mit Standorten der untersuchten Meeresbodenproben und der globalen Meereszirkulation. Unter anderem wurden Sedimentproben aus zwei arktischen Regionen untersucht: der Baffin Bay zwischen Nordamerika und Grönland und Fjorde der Inselgruppe Svalbard (Spitzbergen). Abbildung credit: Albert Müller (Click image to enlarge)

Weltkarte mit Standorten der untersuchten Meeresbodenproben und der globalen Meereszirkulation. Unter anderem wurden Sedimentproben aus zwei arktischen Regionen untersucht: der Baffin Bay zwischen Nordamerika und Grönland und Fjorde der Inselgruppe Svalbard (Spitzbergen). Abbildung credit: Albert Müller (Click image to enlarge)

Sporendiversität hängt von Meereszirkulation ab
Forscher der Universität Wien und des neugegründeten Österreichischen Polarforschungsinstituts untersuchten zusammen mit KollegInnen von der Universität Aarhus in Dänemark und der Universität Newcastle in England die weltweite Diversität und Verbreitung Hitze liebender Bakteriensporen im kalten Meeresboden. Unter anderem standen zwei arktische Regionen im Fokus: die Baffin Bay im Westen Grönlands und die Fjorde Spitzbergens. “Nach dem Aufwecken der Hitze liebenden Bakterien aus ihrem Dornröschenschlaf im Labor und molekularen Untersuchungen ihrer genetischen Vielfalt zeigte sich, dass nur manche Sporenarten nahezu weltweit verbreitet und auch diese nicht überall waren”, so Alexander Loy. Es zeigten sich auch Unterschiede in der Vielfalt vorgefundener Sporenarten. So war die Sporendiversität in den Fjorden an der Westküste Spitzbergens, die gut an den Golfstrom angebunden sind, signifikant größer als in den Sedimenten aus der arktischen Baffin Bay, welche hydrographisch von der globalen Ozeanzirkulation relativ isoliert ist.

“Wir konnten damit erstmals systematisch zeigen, dass selbst Bakterien im Sporenstadium – also Mikroorganismen, die am ehesten in der Lage sein sollten, längere Reisen zu überstehen – nicht überall zu finden sind und damit in ihrer Verbreitung eingeschränkt sind. Ein wichtiger Mechanismus scheint die unterschiedliche Anbindung lokaler Gewässer an die globale Meereszirkulation zu sein. Diese Verbreitungsbarrieren spielen für die lokale Diversität von Mikroorganismen, die keine Überdauerungsformen wie Sporen ausbilden können, natürlich eine noch größere Rolle”, fasst der Erstautor der Studie, Albert Müller, die Ergebnisse zusammen.

Die Forschungsarbeit wurde durch den Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF finanziert und am Department für Mikrobiologie und Ökosystemforschung durchgeführt.

Alexander Loy und Albert Müller (v.l.n.r.). Image copyright: Han-Fei Allen Tsao

Alexander Loy und Albert Müller (v.l.n.r.). Image copyright: Han-Fei Allen Tsao

Publikation in “The ISME Journal”

Albert Leopold Müller, Júlia Rosa de Rezende, Casey RJ Hubert, Kasper Urup Kjeldsen, Ilias Lagkouvardos, David Berry, Bo Barker Jørgensen and Alexander Loy. 2013. Endospores of thermophilic bacteria as tracers of microbial dispersal by ocean currents.
The ISME Journal. doi:10.1038/ismej.2013.225
https://www.nature.com/ismej/journal/vaop/ncurrent/full/ismej2013225a.html

*Source: Universität Wien

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