Umfangreiche Untersuchung von Bakterien auf Felsenkraut im Gezeitenbereich über dem Nordatlantik

Algen wie die Felsenkräuter sind ein grundlegender Bestandteil mariner Ökosysteme, die vielen anderen Meeresorganismen Lebensraum und Nahrung bieten und gleichzeitig Ökosystemleistungen erbringen. Algen produzieren Sauerstoff als Nebenprodukt der Photosynthese, daher ist die Sauerstoffversorgung des Wassers und der Atmosphäre eine solche Ökosystemleistung. Algen wiederum sind auf Bakterien angewiesen, um ihre normale Form und Gesundheit zu erhalten.

Neue Sequenzierungsmethoden beleuchten die Beziehungen zwischen Meeresbakterien und Meeresalgen, wie die Forschung von 15 Wissenschaftlern aus Ländern jenseits des Nordatlantiks gezeigt hat.

Die Hauptforscher Susan Brawley, Professorin an der UMaine School of Marine Sciences, und Hilary Morrison, eine leitende Wissenschaftlerin am Marine Biological Laboratory in Woods Hole, Massachusetts, leiteten ein Forscherteam in einer umfassenden Studie, die von der National Science Foundation (NSF) finanziert wurde ) der Bakterien, die mit dem grundlegenden Gezeiten-Klippenkraut Fucus vesiculosus assoziiert sind. Die Ergebnisse wurden im veröffentlicht Zeitschrift für Physiologie.

Die Forscher fanden heraus, dass die Bakteriengemeinschaften auf dieser Braunalge zwischen den östlichen und westlichen Ufern des Nordatlantiks in ähnlichen Breitengraden ähnlich waren, sich jedoch entlang eines Nord-Süd-Gradienten über das biogeografische Gebiet des Wirts unterschieden – von Grönland bis North Carolina an den Westküsten und Norwegen nach Spanien im Ostatlantik. Die Forscher beobachteten auch das Verschwinden der Alge aus Gebieten der Küste von North Carolina, wo sie seit langem reichlich vorhanden waren, und betonten die dringende Notwendigkeit, die Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Wirt und bestimmte Bakteriengemeinschaften zu verstehen, die mit der Wirtsalge in südlichen Regionen verbunden sind, die einen Wirtsrückzug erfahren Meeresökosysteme werden durch den Klimawandel verändert.

„Unsere Forschung hat gezeigt, dass die Struktur der Bakteriengemeinschaften auf diesem Felsenkraut sowohl von aktuellen als auch von vergangenen Umgebungen abhängt, einschließlich der sich ändernden biogeografischen Verbreitungsgebiete von Fucus vesiculosus im Zusammenhang mit vergangenen Eiszeiten“, sagt Brawley. „Einige dieser Bakterien sind für Fucus-Algen lebenswichtig. Indem wir in dieser großen Studie mit 16 Feldstandorten im gesamten Nordatlantik nach Bakterien suchen, die in Algengeweben verbreitet sind, können wir unsere Suche auf diejenigen einschränken, die bestimmen, ob diese Makroalge überleben kann die Küste.“

Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Bakterien für die Struktur des Wirts so wichtig sind, dass Algen buchstäblich auseinanderfallen können, wenn sie mit Antibiotika behandelt werden, um die Bakterien zu entfernen. Die Forscher hofften herauszufinden, welche der Bakterien für Fucus vesiculosus wichtig sind. Nach der Sequenzierung der Bakteriengemeinschaften an einem Teil eines der Gene, das die bakterielle Proteinsynthese unterstützt, klassifizierten sie die Bakterien von Gattung zu Ökotyp durch eine Markergen-Analysetechnik namens Minimum Entropy Decomposition, die heute von Mikrobiologen weit verbreitet ist. Dies führt dazu, dass jedem unterschiedlichen Bakterientyp eine andere Amplicon Sequence Variant (ASV) ID zugewiesen wird.

„Das ist wie eine molekulare Fischereiexpedition, die unsere Suche nach den Bakterien eingrenzen kann, die für die Alge möglicherweise am wichtigsten sind“, sagt Brawley. „Das Auffinden von gewebespezifischen Bakterien legt nahe, beweist aber nicht, dass sie für die Funktion des Gewebes und die Persistenz der Alge besonders wichtig sein könnten. Wir haben Reinkulturen einiger dieser Bakterien isoliert und untersuchen ihre Genome , relative Wachstumsraten und Konkurrenz untereinander.“

Beispielsweise entdeckte die Studie viele unerkannte Mitglieder der Bakteriengattung Granulosicoccus durch ihre Assoziation mit bestimmten Geweben – von der Bindung, die die Alge an eine Oberfläche bindet, über die Fortpflanzungsorgane bis hin zum wichtigsten photosynthetischen Gewebe. Die Forschung deckte auch unterschiedliche Niveaus verschiedener Umweltfaktoren auf, die mit bestimmten Assoziationen von Granulosicoccus mit Fucus in nördlichen, mittleren und/oder südlichen Breiten korrelierten, und zeigte, wie diese Granulosicoccus mit Bakterien dieser Gattung in Beziehung stehen, die auf anderen Arten von Meereslebewesen wie Schwämmen, Korallen sowie Rot- und Grünalgen.

„Bevor Sie verstehen können, wie und warum, müssen Sie verstehen, wer“, sagt Brawley. „Dies ist eine sehr ergiebige Quelle darüber, wer wo ist.“

Im Rahmen der Feldforschung gab es auch einige unbeabsichtigte Entdeckungen. Im Laufe der jahrelangen Feldforschung des Projekts beobachteten die Wissenschaftler das lokale Aussterben von Fucus vesiculosus an einem Standort in Beaufort, North Carolina, wo es lange Zeit reichlich vorhanden war. Der Standort galt zu Beginn der Studie im Jahr 2015 als das südlichste Verbreitungsgebiet von F. vesiculosus. Es war Ende 2016 verschwunden. Temperatursensoren, die die Forscher am Standort hatten, deuteten darauf hin, dass Stress durch wärmere Luft- und Meerwassertemperaturen in Kombination mit tropischen Stürmen während der Fortpflanzungssaison im Herbst sein Verschwinden und sein Ausbleiben bis 2021 erklären könnte.

„Wir wissen nicht, wo der südliche Rand der US-Kette jetzt ist“, sagt Brawley. „Als Meeresbiologen interessiert es uns zu wissen, wie anfällig Organismen an der Küste für den Klimawandel sind. Unsere laufende Forschung untersucht mögliche Auswirkungen der Bakterien auf den Fucus durch physiologische und genomische Studien. Wir wollen wissen, ob einige Bakterien schützend sind und ob Die Struktur der Bakteriengemeinschaft auf dem Wirt wurde durch den Klimawandel gestört.“

Brawley ist nicht der einzige Forscher des Projekts mit Verbindungen zu UMaine. Die Autoren Kyle Capistrant-Fossa und Charlotte Quigley sind kürzlich UMaine MS und Ph.D. Absolventen bzw. Ester Serrão, eine weitere Autorin der Studie, erhielt ihren Ph.D. von UMaine im Jahr 1996 und ist jetzt Professor und Pew Foundation Marine Fellow an der Universität der Algarve in Portugal.

Leigh Stearns, ebenfalls ein Ph.D. Absolventin der University of Maine in Geologie und Klimawissenschaften, sammelte Fucus in seinem nördlichen Gebirge in Uummannaq, Grönland, während ihrer laufenden glaziologischen Forschung dort als Professorin für Geologie an der University of Kansas. Brawley wies darauf hin, wie wertvoll es auf wissenschaftlicher und menschlicher Ebene sei, ein Team von Forschern zu haben, das sich über Disziplinen und sieben Heimatländer erstreckt.

Die Zeitschrift für Physiologie schrieb ein Highlight über die Forschung des Artikels und verwendete ein Foto, das im Acadia-Nationalpark an einem der 16 nordatlantischen Feldstandorte der Studie aufgenommen wurde, auf dem Dezember-Cover.

Die Forscher haben auch die Bakteriengemeinschaften von zwei anderen Arten von Braunalgen an der Küste von Maine verglichen – Fucus spiralis, gefunden in der hohen Gezeitenzone, und Fucus distichus in der niedrigen Gezeitenzone – um zu sehen, wie sich ihre Bakteriengemeinschaften mit denen von vergleichen Fucus vesiculosus in der mittleren Zone weiter nördlich und südlich von Maine. Zum Beispiel testen die Wissenschaftler, ob die bakterielle Gemeinschaftsstruktur der Hochzone F. spiralis an der Küste von Maine möglicherweise eher den Bakteriengemeinschaften auf F. vesiculosus an wärmeren Orten wie North Carolina, Delaware und Spanien ähnelt als denen auf F. vesiculosus in der Mitte Gezeitenzone der Küste von Maine.

Brawley bemerkte, dass die veröffentlichten und laufenden Studien „suggerieren, wie sehr sich die Gemeinschaftsstruktur der Bakterien auf Fucus vesiculosus auf jährlicher, saisonaler und Breitengradskala ändert, und dazu beitragen, zu verstehen, wie empfindlich das Mikrobiom von F. vesiculosus auf die sich ändernde Umgebung reagiert“.