Komplettes Genom und Toxin-Gene der Mikroalgen aus der Oder-Katastrophe entschlüsselt

Im Sommer 2022 verendeten in der Oder rund 1.000 Tonnen Fische, Muscheln und Schnecken. Zwar war die Katastrophe menschengemacht, doch die unmittelbare Todesursache war das Gift einer Mikroalge mit dem wissenschaftlichen Sammelnamen Prymnesium parvum, oft auch als „Goldalge“ bezeichnet.

Seitdem besiedeln die Einzeller die Oder dauerhaft. Ein Forscherteam unter der Leitung des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) hat nun das komplette Genom der Mikroalge sequenziert, um künftige Risikofaktoren zu identifizieren, unter denen sich die Alge vermehrt und ihr Gift produziert. Sie konnten die Gensequenzen identifizieren, die die Giftstoffe kodieren – ein wichtiger Schritt hin zu einem Frühwarnsystem. Die Studie ist veröffentlicht im Journal Aktuelle Biologie.

Prymnesium parvum sl (sensu lato), umgangssprachlich Goldalgen, steht für eine ganze Gruppe von Mikroalgen, die – obwohl sie mit 5 bis 10 Mikrometern winzig klein sind – in Ökosystemen verheerende Schäden anrichten können. Denn diese Algen können Zellgifte, sogenannte Prymnesine, produzieren. Diese zerstören die Kiemen von Fischen und Filtrierern wie Muscheln und Schnecken und greifen auch anderes Körpergewebe an. Die Folge: der Tod durch Sauerstoffmangel oder Kreislaufversagen.

Frühere Studien zur Morphologie und Genetik haben gezeigt, dass Prymnesium parvum sl eine große Diversität aufweist: Es handelt sich um einen Komplex aus mindestens 40 genetisch unterschiedlichen Stämmen, die sich in der Genomgröße unterscheiden und sowohl typspezifische Prymnesine als auch stammspezifische Mischungen verschiedener Prymnesinvarianten produzieren. Je nach Toxinproduktion werden drei Kladen unterschieden: A, B oder C. Bislang gab es nur ein Referenzgenom, das des Typs A.

Enge Beziehung zwischen Mikroalge ODER1 und Brackwasserstämmen aus Dänemark und Norwegen

Im Rahmen des Projektes ODER~SO hat nun ein internationales Team um die IGB-Forscher Dr. Heiner Kuhl, Dr. Jürgen Strassert, Prof. Dr. Michael Monaghan und PD Dr. Matthias Stöck das gesamte Genom des Prymnesium parvum-Stammes aus der Oder-Katastrophe sequenziert und Gensequenzen identifiziert, die für die chemische Struktur der Toxine und damit für ihre Eigenschaften verantwortlich sind. Der sequenzierte Stamm erhielt den Namen ODER1 und ist ein Mitglied der Klade B.

Die Forscher erstellten außerdem einen phylogenetischen Baum verschiedener Prymnesium parvum-Stämme. Daraus geht hervor, dass der Stamm ODER1 am engsten mit einem anderen Typ-B-Stamm, K-0081, verwandt ist, der 1985 aus Brackwasser im Nordwesten Dänemarks isoliert wurde, sowie mit weiteren Typ-B-Stämmen aus Norwegen (RCC3426, KAC-39 und K-0374). Diese Ähnlichkeit ist auf die geografische Nähe zurückzuführen, liefert aber keine direkten Informationen darüber, wie die Alge in die Oder gelangte.

Referenzgenom zur Überwachung von Algenblüten

Nach der Entschlüsselung eines Typ-A-Referenzgenoms und nun des Typ-B-Referenzgenoms wurden zwei sehr unterschiedliche Mikroalgen der Gruppe erfasst; die Entschlüsselung des Typ-C-Referenzgenoms steht noch aus.

„Die Entschlüsselung des zweiten Referenzgenoms von Prymnesium parvum sl liefert wichtige Erkenntnisse über die genetischen Grundlagen und die strukturelle Variabilität der Toxine. Erst kürzlich konnte gezeigt werden, dass die Art des Toxins Einfluss auf die Toxizität hat. Damit können wir die potenzielle Toxizität zukünftiger Algenblüten nun deutlich besser abschätzen“, so Dr. Strassert, Koautor der Studie.

Entwicklung molekularer Methoden zur Toxinanalytik und Untersuchung von Einflussfaktoren

Zurzeit kann die Toxinbildung nicht direkt überwacht werden. Das Toxin wird im Wasser zu stark verdünnt, um es messen zu können, und es gibt derzeit keine Standardmethoden, nicht einmal für die Gruppe A.

„Einer der nächsten Schritte des IGB-Teams wird darin bestehen, die Toxinbildung auf molekularer Ebene zu analysieren, indem wir die Expression spezifischer Toxinsynthesegene bestimmen“, ergänzt Dr. Kuhl, der Erstautor der Studie.

Sowohl bei der Ausbreitung der Algenblüte als auch bei der Produktion von Giftstoffen spielen die Umweltbedingungen eine wichtige Rolle.

„Die Entschlüsselung der Gene für die Toxinproduktion ist daher entscheidend für die Analyse der Umweltbedingungen, unter denen die Algen diese Blüten bilden und möglicherweise spezifische Toxine in unterschiedlichen Mengen produzieren“, sagt Dr. Stöck, der die Studie leitete.