Die unglaubliche Welt der korallenassoziierten Mikroorganismen

Geschrieben von Sara Gagliardi übersetzt von Selma Mezger, Original Post

Korallenriffe sind entscheidend für die Erhaltung der marinen Ökosysteme, da sie 3-D-Habitatstrukturen schaffen, die von der Meeresfauna als Zufluchtsort genutzt werden. Daher beeinflussen sie direkt viele wirtschaftlich wichtige Arten wie Seebrassen, Makrelen, Katzenhaie und Tintenfische. Trotz ihres wirtschaftlichen Wertes sind die Korallenpopulationen äußerst fragil und unterliegen einem Bevölkerungsrückgang sowohl durch klimatische Veränderungen (z. B. steigende Meerwassertemperatur und Ozeanversauerung) als auch durch anthropogene Aktivitäten (z. B. Fischerei, Verschmutzung und Landwirtschaft). Tatsächlich berichtete die NASA, dass in den letzten 50 Jahren fast 27 % der überwachten Korallenriffe weltweit verloren gegangen sind und weitere 32 % in den nächsten 32 Jahren verloren gehen werden.

[Figure caption 1] Abb. 1 Bild von lebenden (links) und toten (rechts) Steinkorallen aus der Netflix-Dokumentation “Chasing Coral” von Jeff Orlowski (2012, Quelle: https://lwlies.com/reviews/chasing-coral/).

Ein entscheidender Faktor für die Gesundheit und das Überleben von Korallen ist die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften, die mit dem Korallenwirt interagieren, das sogenannte Mikrobiom. Tatsächlich leben Korallen in Symbiose – d.h. einer engen und langfristigen Beziehung zwischen verschiedenen Arten – mit Viren, Bakterien, Archaeen, Pilzen, Protisten und anderen wirbellosen Tieren. Das Gefüge des Korallentiers und seinem Mikrobiom wird als Holobiont bezeichnet. Van de Water entdeckte, dass die Assoziation mit Mikroben in der langjährigen Geschichte der Korallen-Evolution vorhanden ist, da sie eine entscheidende Rolle für die Langlebigkeit ihres Wirtes spielen. Für das Überleben des Holobionten ist es daher wichtig diese fragilen Beziehungen aufrechtzuerhalten, obwohl sie stark von klimatischen Veränderungen und anthropogenen Stressoren beeinflusst werden.

Zwei Unterklassen von Wirbellosen enthalten Korallen: die Hexacorallia (einschließlich Seeanemonen, Schwarze Korallen, Steinkorallen, Scheibenanemonen, Orgelkorallen und Rugosen Korallen) und die Octocorallia (einschließlich Blaukorallen, Weichkorallen, Seefedern und Gorgonien). Das Mikrobiom von Steinkorallen wurde ausgiebig erforscht und als vielfältig und variabel auf räumlichen und zeitlichen Skalen beschrieben. Im Gegensatz zu Steinkorallen scheinen Octocorallia stabilere mikrobielle Gemeinschaften zu erhalten, obwohl sich die Korallenmikrobiom-Forschung stark auf Steinkorallen und die bakterielle Fraktion des Mikrobioms zu konzentrieren scheint. Van de Water beschloss, die bakterielle Zusammensetzung von Antipathella subpinnata zu untersuchen, einer schwarzen Koralle des Mittelmeers, die in der Mesophotik (40 bis 150 m Tiefe) kritisch wichtige Lebensräume bietet, indem sie baumförmige Kolonien bildet. Der Autor wählte drei Standorte für die Beprobung aus, Portofino, Bordighera und Savona (Italien) und untersuchte diese im Frühling und Herbst.

[Figure caption 2] Abb. 2 Antipathella subpinnata, eine schwarze Koralle aus dem Mittelmeer (Quelle:  http://www.biologiamarina.org/corallo-nero/).

Die Ergebnisse der Analyse hoben kein Kernmikrobiom – d.h. Mikroben, die in der Korallenart, unabhängig von Raum und Zeit, allgegenwärtig sind – in A. subpinnata hervor. Korallenproben, die in Savona gesammelt wurden, ergaben eine bakterielle Gemeinschaft, die sehr verschieden von denen aus Portofino und Bordighera war, mit einer großen Anzahl von Kohlenwasserstoff-abbauenden gammaproteobakteriellen Gattungen (Alcanivorax,  Oleiphilus  und  Marinobacter). Van de Water schlug vor, dass dieser Unterschied auf die Anwesenheit vieler kommerzieller Fischereischiffe, Kreuzfahrt- und Frachtschiffe im Hafen von Savona zurückzuführen sein könnte, während die Häfen Portofino und Bordighera nur von Yachten frequentiert werden. Der Forscher spekuliert, dass Kohlenwasserstoff-abbauende Bakterien aufgrund der höheren Verfügbarkeit von Ressourcen in Savona gediehen sein könnten. Darüber hinaus spekuliert er, dass die lokalen Strömungen (z.B. die antizyklonalen Strömungen) eine wichtige Rolle als Treiber der mikrobiellen Gemeinschaften, die mit A. subpinnata assoziiert sind, spielen könnten, da sie das Aufsteigen von nährstoffreichen Gewässern aus der Tiefe induzieren, die das Gleichgewicht der Holobionten-Funktionalitäten verändern. Schließlich könnten sich die Umweltbedingungen auf die planktonischen Gemeinschaften auswirken, die eine Nährstoffquelle für Korallen sind, was zu lokalen und zeitlichen Unterschieden in der Zusammensetzung des Mikrobioms und möglicherweise in seinen Funktionen führt.

Van de Water schlug vor, dass Schwarze Korallen, anstatt eines Kernmikrobioms, ein Mikrobiom mit redundanten Funktionen besitzen, um das Überleben des Holobionts zu gewährleisten. Zu diesen Funktionen gehören die Bereitstellung wichtiger Nährstoffe, die Rolle in biogeochemischen Kreisläufen (Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel), die Abwehr von Krankheitserregern usw. Tatsächlich können einige Bakterien komplexe organische Kohlenstoffverbindungen abbauen, um Beute zu verdauen (z.B. können Bacteroidetes Chitin abbauen, welches die Zellwand von Pilzen, das Skelett von Schwarzen Korallen, das Exoskelett von Arthropoden usw. bildet). Andere führen wichtige Prozesse in den Zyklen von Stickstoff und Schwefel aus, um die Moleküle für die Produktion von Aminosäuren (z.B. Endozoicomonas) und/oder antimikrobiellen Verbindungen (z.B. Pseudovibrio sp.) bereitzustellen. Es wird jedoch angenommen, dass Stickstoff und Schwefel insgesamt durch Nährstoffzyklen im Holobiont verloren gehen, und daher Prädation durch die Korallen erforderlich ist, um den Mangel zu überwinden. Darüber hinaus wird angenommen, dass einige Bakterien (z.B.  Pseudoalteromonas) im Mikrobiom vorhanden sind, um die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften zu regulieren, indem sie Verbindungen mit antibakteriellen, antimykotischen und alginolytischen Eigenschaften absondern. Diese regulatorische Aktivität könnte im Falle einer Umweltänderung durchgeführt werden, um die Funktionalitäten des Mikrobioms anzupassen, mit dem Ziel, das Überleben des Wirts zu erhalten.

[Figure caption 3] Abb. 3 Antipathella subpinnata  in den tiefen Mittelmeerriffen (Quelle:  http://www.biologiamarina.org/corallo-nero/).

Aufgrund ihrer sesshaften Lebensweise sind Korallen nicht in der Lage, aus plötzlich ungünstigen Umgebungen zu entkommen und benötigen einen Mechanismus, um die Nachteile dieser Eigenschaft auszugleichen. Die Zusammensetzung des Mikrobioms, das mit der schwarzen Koralle A. subpinnata assoziiert ist, scheint flexibel und wahrscheinlich durch die lokalen Umweltbedingungen beeinflusst zu sein, dennoch werden die Schlüsselfunktionen für das Gedeihen des Holobionten aufrechterhalten, wahrscheinlich als Ergebnis von Redundanz innerhalb des Mikrobioms. Diese Mikrobiom-Plastizität ist entscheidend für den Holobionten, um sich an kurz- und langfristige Umweltstressoren anzupassen und/oder schnell zu akklimatisieren.

Referenzen:

van de Water, J. A. J. M., Coppari, M., Enrichetti, F., Ferrier-Pagès, C., & Bo, M. (2020). Local conditions influence the prokaryotic communities associated with the mesophotic black coral Antipathella subpinnataFrontiers in Microbiology, 11, 1-20. DOI :10.3389/fmicb.2020.537813

https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiosis

https://en.wikipedia.org/wiki/Hexacorallia

https://en.wikipedia.org/wiki/Octocorallia

https://earthobservatory.nasa.gov/features/Coral

https://en.wikipedia.org/wiki/Chitin

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