Die genetische Vielfalt der Kieselalgen an der Küste kommt zu Hilfe, wenn sich die aquatische Umgebung abrupt ändert

Eine stillgelegte Kupfermine an der Ostseeküste südlich von Västervik hat Forschern dabei geholfen, die Überlebensfähigkeit von Kieselalgen an der Küste zu untersuchen, wenn sich die Umweltbedingungen ändern. Eine Doktorarbeit der Universität Göteborg zeigt, dass Kieselalgenarten aufgrund ihrer großen genetischen Vielfalt Kupfereinträge ins Meer überlebt haben.

Indem Stämme mit einer breiten genetischen Vielfalt über Generationen hinweg vorhanden sind und beibehalten werden, kann eine Art mit schnellen Umweltveränderungen fertig werden, ohne zu erliegen. Dies ist der Fall bei der Diatomeenart Skeletonema marinoi, die in den Zulaufgewässern neben der Solstad-Mine in Schweden während der 400-jährigen unterbrochenen Bergbautätigkeit dort überlebt hat. Die Kupferbelastung im Wasser führte zur Entwicklung einer erhöhten Kupfertoleranz bei den Diatomeenarten.

„In Laborexperimenten konnte ich zeigen, dass sich die Kupfertoleranz innerhalb weniger Wochen ändert – ihre Anpassungsfähigkeit ist aufgrund der großen genetischen Vielfalt dieser Art möglich“, sagt Björn Andersson, Evolutionsbiologe an der Universität Göteborg und der Verfasser der Diplomarbeit.

Gene nach Bedarf aktiviert

Der Kupfergehalt des Ostseeeinlasses an der Mündung der Solstad-Mine war sehr unterschiedlich, da der Bergbaubetrieb in den letzten Jahrhunderten für lange Zeit eingestellt wurde, um später wieder aufgenommen zu werden. Die Betriebsjahre des Bergwerks sind dokumentiert und mit den in hypoxischen Bodensedimenten gut erhaltenen Diatomeen im Zulauf außerhalb des Bergwerks vergleichbar.

Die Analyse zeigt, dass die Gene der Kieselalgen für die Kupfertoleranz in dem für das Überleben notwendigen Ausmaß aktiviert werden. Aber wie können mikroskopisch kleine Kieselalgen so viele Merkmale in ihrer DNA tragen, dass sie mit all diesen plötzlichen Veränderungen in der Umwelt fertig werden können?

„Diese große genetische Vielfalt findet sich nicht bei jedem Individuum, sondern in der Bevölkerung als Ganzes. Verschiedene Kieselalgen-Individuen haben eine unterschiedliche Kupfertoleranz, was bedeutet, dass einige zu unterschiedlichen Zeiten stärker bevorzugt werden“, sagt Andersson.

Die Diatomeen auf den Bodensedimenten im Einlass an der Mündung der Solstad-Mine behielten Merkmale bei, die derzeit nicht für eine zukünftige Verwendung benötigt werden. Die harte Schale von Kieselalgen schützt diese Art vor schnellem Abbau, sodass diese Organismen jahrelang überleben können. In der Blüte jedes Jahres werden die konkurrenzfähigsten Individuen ausgewählt und tragen mehr zum Sediment bei, während die älteren Diatomeen als Garant für die Zukunft bleiben, erklärt Björn Andersson.

„Die Diatomeen im Sediment funktionieren ähnlich wie eine Samenbank. In einer solchen Umgebung mit stark schwankender Wasserqualität ist die genetische Vielfalt in der Bevölkerung größer als an einem Standort, der einer solchen nicht ausgesetzt ist starke Wirkung“, sagt Andersson.

Wichtige Primärproduzenten

In Zeiten des schnellen Klimawandels ist es eine gute Nachricht, dass einer der wichtigsten marinen Primärproduzenten eine so große Anpassungsfähigkeit an neue Lebensbedingungen zeigt. Weltweit machen Kieselalgen 20 Prozent der Primärproduktion aus, sie fangen Sonnenenergie ein und übertragen sie auf Ökosysteme, während sie Sauerstoff produzieren und Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen.

„Die große genetische Vielfalt dieser Arten kann ihnen helfen, sich schnell an zukünftige Umwelt- und Klimaveränderungen anzupassen, was dazu führen könnte, dass sie nicht so stark leiden werden wie beispielsweise Fische und Säugetiere“, sagt Andersson.

DNA-Sequenzierung in Diatomeen

Die meisten Arten von Barcode-Loci, die heute in der DNA verwendet werden, wurden entwickelt, um zwischen DNA verschiedener Arten zu unterscheiden. Bei der Erforschung der Diatomeen wurden neue Barcode-Loci entwickelt, die stattdessen zwischen Individuen innerhalb einer Art – in diesem Fall Skeletonema marinoi – unterscheiden können.

Der gesamte DNA-Strang von 55 Millionen Basenpaaren wurde sequenziert. Es wurden vier 500 Basen lange Barcode-Loci gefunden, die zwischen 58 Kieselalgen-Individuen innerhalb derselben Art hypervariabel waren. Diese Barcode-Loci ergaben eine ausreichend hohe individuelle Auflösung, um den evolutionären Selektionsprozess der Kieselalgenarten verfolgen zu können.