Experiment zeigt, wie Wurmwirte und zugehöriges Mikrobiom gemeinsam zur Anpassung an die Umwelt beitragen

Ein Kieler Forschungsteam hat anhand eines naturnahen Kompost-Mesokosmen-Experiments gezeigt, dass Wurmwirte und die damit verbundenen Mikroorganismen gemeinsam die Anpassung an eine neuartige Umgebung vermitteln

Alle vielzelligen Organismen – von den einfachsten tierischen und pflanzlichen Organismen bis hin zum Menschen – leben in enger Verbindung mit einer Vielzahl von Mikroorganismen, dem sogenannten Mikrobiom, das sich auf und in ihrem Gewebe ansiedelt und symbiotische Beziehungen mit dem Wirt eingeht. Viele lebenswichtige Funktionen wie die Nährstoffaufnahme, die Regulierung des Immunsystems oder auch neurologische Prozesse resultieren aus den Interaktionen zwischen Wirtsorganismus und mikrobiellen Symbionten.

Die funktionelle Zusammenarbeit zwischen Wirt und Mikroorganismen, die Wissenschaftler als Metaorganismus bezeichnen, wird an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel im Sonderforschungsbereich (SFB) 1182 „Entstehung und Funktion von Metaorganismen“ eingehend untersucht.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Mikrobiom maßgeblich zur Umweltanpassung eines gesamten Organismus beitragen kann. Dies kann auf die schnelle Anpassungsfähigkeit von Mikroorganismen zurückzuführen sein, die um ein Vielfaches schneller auf veränderte Umweltbedingungen reagieren können als ihr Wirtsorganismus.

Zahlreiche Studien haben bereits gezeigt, dass das Mikrobiom auf veränderte Umweltfaktoren wie beispielsweise höhere Temperaturen mit einer Veränderung seiner Artenzusammensetzung reagiert und so zur Umweltanpassung des Wirtsorganismus beiträgt. Viele dieser Studien konzentrierten sich jedoch bisher nur auf das Mikrobiom, nicht jedoch auf den Wirt.

Forscher der Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik um Professor Hinrich Schulenburg am Institut für Zoologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel haben sich nun in einer neuen Studie mit den gemeinsamen Einflüssen von Wirtsorganismen und dem Mikrobiom beschäftigt. Dazu entwickelten sie eine innovative Kultivierungsmethode, um die Anpassungen eines Metaorganismus an neuartige Umweltbedingungen zu untersuchen: Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans entwickelte sich in einem Langzeitexperiment über 100 Tage zusammen mit einer ursprünglich festgelegten Auswahl an Mikroorganismen unter komplexen und naturnahen Bedingungen Umweltbedingungen in einem Kompostlebensraum.

Anschließend analysierten die Forscher Veränderungen sowohl auf Seiten der Wirte als auch im Mikrobiom und stellten fest, dass beide unter bestimmten Bedingungen gemeinsam zur optimalen Anpassung des gesamten Organismus an eine neue Umgebung beitragen. Die Kieler Forscher, die in dieser Studie mit Professor Brendan Bohannan und seinem Team von der University of Oregon in den USA kooperierten, veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich in Das ISME Journal.

Stinkender Kompost ermöglicht Einblicke in den Verlauf der Umweltanpassung

Aufgrund seiner sehr kurzen Generationszeit von nur etwa dreieinhalb Tagen eignet sich C. elegans besonders für die Untersuchung von Evolutionsmechanismen. Frühere Forschungen, an denen Schulenburgs Forschungsgruppe beteiligt war, identifizierten das natürliche Mikrobiom des Wurms oder charakterisierten bestimmte Mikrobiomfunktionen wie die Abwehr von Krankheitserregern.

Es ist jedoch im Allgemeinen unbekannt, wie sich Wirt und Mikrobiom über längere Zeiträume hinweg gemeinsam entwickeln und dabei auf variable Faktoren in ihrer natürlichen Umgebung reagieren. Um diesem Aspekt Rechnung zu tragen, untersuchte das Kieler Forschungsteam C. elegans und sein Mikrobiom über einen längeren Zeitraum unter naturnahen Bedingungen.

„In der Natur lebt der Wurm von verrottendem organischem Material wie Obst- und Gemüseresten. Wir haben versucht, eine solche Kompostumgebung unter kontrollierten Laborbedingungen nachzubilden und haben sogenannte Mesokosmen auf Basis von Pflanzenmaterial entwickelt. Mit Hilfe dieser künstlichen Kompostlebensräume „Es ist uns gelungen, einen nachhaltigen Lebensraum für den Wurm und sein Mikrobiom zu schaffen. Mittlerweile überleben die Würmer seit fast zwei Jahren ununterbrochen in dieser für das menschliche Auge besonders abstoßenden Umgebung“, erklärt Dr. Carola Petersen, eine von ihnen die Erstautoren und wissenschaftlicher Mitarbeiter der Schulenburg-Gruppe.

Wirt und Mikrobiom können gemeinsam zur Umweltanpassung beitragen

Aus diesem Laborkompost isolierte das Forschungsteam nach 100 Tagen – das entspricht etwa 30 Wurmgenerationen – C. elegans und Proben seines Mikrobioms. Anschließend führten sie verschiedene Experimente in einem sogenannten Common-Garden-Ansatz durch, um die Auswirkungen der Mikrobiomzusammensetzung und der Wirtsgenetik zu bestimmen über die Anpassung des Metaorganismus.

„Dazu haben wir ursprüngliche und weiterentwickelte Würmer und Mikroben in allen möglichen Kombinationen zusammengebracht und jeweils in der naturnahen Umgebung in neuen Mesokosmen-Kompostboxen und auch auf Agarplatten kultiviert. Anschließend haben wir anhand verschiedener Parameter die Fitness des Metaorganismus ermittelt.“ als Ganzes“, erklärt SFB 1182-Mitglied Petersen.

„Besonders auffällig waren die hohen Fitnesswerte der Würmer in einer bestimmten Box, deren Population im Vergleich zu den anderen experimentellen Replikaten außerordentlich zahlreich gedieh. Diese Würmer zeigten eine starke Abweichung in der Genexpression im Vergleich zur ursprünglichen Population, obwohl sie die gleiche hatten.“ ursprünglichen Mikrobiom“, betont Petersen.

Dieser Fitnessvorteil ist also genetisch bedingt und somit eine Umweltanpassung. Der Vorteil für den Gesamtorganismus scheint sich in einer verbesserten Stressreaktion zu manifestieren, die den Würmern hilft, mit komplexen Umgebungen wie dem Kompostlebensraum mit seinen zahlreichen strukturellen und physiologischen Herausforderungen zurechtzukommen.

Darüber hinaus konnten die Forscher nachweisen, dass das evolvierte Mikrobiom auch zu den Fitnessvorteilen des Wurms beitrug: „Der deutliche Effekt eines erhöhten Populationswachstums war nur in der Kompostumgebung in Anwesenheit der adaptierten Mikroben zu sehen, nicht jedoch auf Agarplatten.“ „Diese Komponente hat also auch einen ganz spezifischen Einfluss auf die Fitness der Wurmpopulation“, so Petersen weiter.

Insgesamt liefert die Studie somit experimentelle Belege in Form spezifischer Veränderungen in der Mikrobiomzusammensetzung und auch in der Genexpression der Nematoden, die zeigen, dass die Anpassung an eine neue Umgebung von Wirt und Mikrobiom gemeinsam beeinflusst werden kann.

Neuartiges Modellsystem ermöglicht Quantifizierung der Einflüsse der Wirtsgenetik und des Mikrobioms

„Diesen Umweltanpassungen liegen oft quantitative genetische Veränderungen zugrunde. Wie genau das Mikrobiom mit der Genetik des Wirts interagiert, um die Gelenkfitness zu verbessern, ist noch nicht im Detail untersucht“, sagt Schulenburg, stellvertretender Sprecher des SFB 1182.

„Mit unserem neuartigen Mesokosmensystem haben wir erstmals reproduzierbare Bedingungen geschaffen, die es uns ermöglichen, nicht nur die Beiträge von Wirt und Mikrobiom zu diesem adaptiven Prozess zu bestätigen, sondern auch die beteiligten Mechanismen und Prozesse in Zukunft zu quantifizieren“, fügt Schulenburg hinzu . Zu diesem Zweck wollen die Forscher des SFB 1182 in weiteren Untersuchungen die aus dem Langzeitexperiment gewonnenen genetischen Daten von Würmern und Mikroben umfassend analysieren, um die Einflüsse von Wirts- und Mikrobengenen auf die evolutionäre Anpassung im Detail zu klären.