Wissenschaftler haben einen Lebensstilwechsel detailliert beschrieben, der bei Meeresbakterien auftritt, bei dem sie von einer Koexistenz mit Algenwirten in einer für beide Seiten vorteilhaften Wechselwirkung zu einer plötzlichen Abtötung dieser wechseln. Die Ergebnisse werden heute in veröffentlicht eLife.
Details dieses Lebensstilwechsels könnten neue Einblicke in die Regulierung der Algenblütendynamik und ihre Auswirkungen auf großräumige biogeochemische Prozesse in Meeresumgebungen liefern.
Einzellige Algen, sogenanntes Phytoplankton, bilden ozeanische Blüten, die für etwa die Hälfte der auf der Erde stattfindenden Photosynthese verantwortlich sind, und bilden die Grundlage der marinen Nahrungsnetze. Daher ist das Verständnis der Faktoren, die das Wachstum und den Tod von Phytoplankton steuern, entscheidend für die Aufrechterhaltung eines gesunden Meeresökosystems. Es ist bekannt, dass Meeresbakterien aus der Roseobacter-Gruppe sich mit Phytoplankton in einer für beide Seiten vorteilhaften Wechselwirkung paaren und koexistieren. Das Phytoplankton versorgt Roseobacter mit für das Bakterienwachstum nützlichen organischen Stoffen wie Zucker und Aminosäuren, und Roseobacter liefert im Gegenzug B-Vitamine und wachstumsfördernde Faktoren.
Jüngste Studien haben jedoch gezeigt, dass Roseobacter einen Lebensstilwechsel von der Koexistenz zur Pathogenität durchlaufen, einem Zustand, in dem sie ihre Phytoplankton-Wirte töten. Eine chemische Verbindung namens DMSP wird von den Algen produziert und spielt vermutlich eine Rolle bei diesem Wechsel.
„Wir haben zuvor festgestellt, dass der Roseobacter Sulfitobacter D7 einen Lebensstilwechsel zeigt, wenn er mit dem Phytoplankter Emiliania huxleyi interagiert“, sagt Erstautorin Noa Barak-Gavish, Ph.D. Absolventin der Abteilung für Pflanzen- und Umweltwissenschaften, Weizmann Institute of Science, Israel. „Unser Wissen über die Faktoren, die diesen Wechsel bestimmen, war jedoch noch begrenzt.“
Um diesen Lebensstilwechsel zu charakterisieren, führten Barak-Gavish und Kollegen ein Transkriptomik-Experiment durch, das es ihnen ermöglichte, die Gene zu vergleichen, die von Sulfitobacter D7 in Koexistenz- oder Pathogenitätsstadien unterschiedlich exprimiert werden.
Ihr experimenteller Aufbau zeigte, dass Sulfitobacter D7, das in einem Pathogenitäts-induzierenden Medium gezüchtet wurde, eine höhere Expression von Transportern für Metaboliten wie Aminosäuren und Kohlenhydrate aufweist als solche, die in einem Koexistenzmedium gezüchtet wurden. Diese Transporter dienen dazu, die Aufnahme von Metaboliten zu maximieren, die von sterbenden Emiliania huxleyi (E. huxleyi) freigesetzt werden. Darüber hinaus beobachtete das Team beim pathogenen Sulfitobacter D7 eine verstärkte Aktivierung von Flagellar-Genen, die für die Bewegung der Bakterien verantwortlich sind. Diese beiden Faktoren ermöglichen es Sulfitobacter D7, eine „Eat-and-Run“-Strategie anzuwenden, bei der sie Konkurrenten des beim Zelltod von E. huxleyi freigesetzten Materials schlagen und auf der Suche nach einem anderen geeigneten Wirt davonschwimmen.
Das Team bestätigte die Rolle von DMSP bei der Herbeiführung des Wechsels zu diesem Killerverhalten, indem es die Gene kartierte, die in Sulfitobacter D7 als Reaktion auf das Vorhandensein von DMSP und anderen von Algen abgeleiteten Verbindungen aktiviert wurden. Wenn jedoch nur DMSP vorhanden war, trat der Lebensstilwechsel nicht auf. Dies impliziert, dass DMSP, obwohl es den Lebensstilwechsel vermittelt, auch vom Vorhandensein anderer aus E. huxleyi stammender Infochemikalien abhängt – Verbindungen, die von Organismen produziert und zur Kommunikation verwendet werden.
DMSP ist eine Infochemikalie, die von vielen Phytoplankton produziert wird, daher ist es wahrscheinlich, dass die anderen erforderlichen Infochemikalien es den Bakterien ermöglichen, einen bestimmten Phytoplankton-Wirt zu erkennen. In natürlichen Umgebungen, in denen viele verschiedene mikrobielle Arten zusammenleben, würde diese Spezifität sicherstellen, dass Bakterien nur dann in die Veränderung der Genexpression und ihres Stoffwechsels investieren, wenn der richtige Algenpartner vorhanden ist.
Die Studie deckt auch die Rolle von aus Algen stammenden Benzoaten bei den Wechselwirkungen zwischen Sulfitobacter D7 und E. huxleyi auf. Selbst in hohen Konzentrationen von DMSP dient Benzoat dazu, den Koexistenzlebensstil aufrechtzuerhalten. Benzoat ist ein effizienter Wachstumsfaktor und wird Sulfitobacter D7 während der Koexistenz von E. huxleyi zugeführt. Die Autoren schlagen vor, dass Sulfitobacter D7, solange es von der Koexistenz profitiert, indem es Materialien für das Wachstum erhält, die wechselseitige Interaktion aufrechterhält. Wenn weniger Benzoat und andere Wachstumssubstrate bereitgestellt werden, vollziehen die Bakterien den Lebensstilwechsel und töten ihren Phytoplankton-Wirt, wobei sie alle verbleibenden nützlichen Materialien schlucken.
Der genaue Mechanismus der Pathogenität von Sulfitobacter D7 gegen E. huxleyi muss noch entdeckt werden, und die Autoren fordern weitere Arbeiten auf diesem Gebiet. Das Typ-2-Sekretionssystem der zellulären Maschinerie – ein Komplex, den viele Bakterien verwenden, um Materialien durch ihre Zellmembran zu bewegen – ist bei Sulfitobacter D7 häufiger als bei anderen Roseobacter, was auf eine einzigartige Methode der Pathogenität hinweist, die weiterer Untersuchungen bedarf.
„Unsere Arbeit bietet einen kontextuellen Rahmen für den Wechsel von Koexistenz zu Pathogenität bei Roseobacter-Phytoplankton-Interaktionen“, schließt Seniorautor Assaf Vardi, Professor in der Abteilung für Pflanzen- und Umweltwissenschaften des Weizmann Institute of Science. „Diese Wechselwirkungen sind eine unterschätzte Komponente bei der Regulierung der Dynamik der Algenblüte, und weitere Studien in diesem Bereich könnten Einblicke in ihre Auswirkungen auf das Schicksal von Kohlenstoff und Schwefel in der Meeresumwelt geben.“
Mehr Informationen:
Noa Barak-Gavish et al., Bakterieller Lebensstilwechsel als Reaktion auf Algenmetaboliten, eLife (2023). DOI: 10.7554/eLife.84400