Meeresbodentier, das sich niederlassen soll, transformiert durch eine bakterielle Verbindung

Die meisten am Boden lebenden wirbellosen Meerestiere wie Schwämme, Korallen, Würmer und Austern produzieren winzige Larven, die im Ozean schwimmen, bevor sie sich am Meeresboden festsetzen und sich in Jungtiere verwandeln. Eine neue Studie, veröffentlicht in der Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) und unter der Leitung der University of Hawai’i (UH) in Mānoa entdeckten Forscher, dass ein großes, komplexes Molekül namens Lipopolysaccharid, das von Bakterien produziert wird, dafür verantwortlich ist, dass sich Larven der marinen Röhrenwürmer, Hydroides elegans, auf dem Meeresboden ansiedeln und die komplexen Prozesse beginnen der Metamorphose.

„Dies ist ein wichtiger Meilenstein beim Verständnis der Faktoren, die bestimmen, wo sich Larven von am Boden lebenden wirbellosen Tieren ansiedeln und verwandeln“, sagte Michael Hadfield, leitender Autor des Artikels und emeritierter Professor an der UH Mānoa School of Ocean and Earth Science and Technology. „Es ist der Schlüssel zum Verständnis, wie benthische Gemeinschaften auf allen Oberflächen unter Salzwasser, also auf 71 % der Erdoberfläche, aufgebaut und erhalten werden.“

Die meisten wirbellosen Larven sind in der Lage, längere Zeit im Larvenstadium zu bleiben, bis sie einen richtigen Platz gefunden haben. In der Studie unter der Leitung von Marnie Freckelton, Postdoktorandin am Kewalo Marine Lab, einer Einheit des Pacific Biosciences Research Center (PBRC) in SOEST, stellte das Forschungsteam die Frage: Wie veranlassen „richtige Stellen“ Larven dazu, sich niederzulassen und Verwandlung?

Die Metamorphose ist eine tiefgreifende Veränderung der Form des Tieres – von einer kleinen schwimmenden Larve zu einem Tier mit einer ganz anderen Anatomie, das am Meeresboden verankert ist. Obwohl Forscher wussten, dass Biofilme, dünne Schichten aus Bakterien, Diatomeen und kleinen Algen, die untergetauchte Oberflächen bedecken, die Metamorphose einer Vielzahl von marinen Wirbellosenlarven induzieren, blieb der Induktionsmechanismus weitgehend unverstanden.

In Laborexperimenten mit Röhrenwurmlarven stellte das Team fest, dass sie sich auf sauberen Oberflächen nicht ansiedeln würden. Sie benötigten einen Hinweis von einem Oberflächenbiofilm.

„Das Team isolierte eine einzelne Bakterienart, Cellulophaga lytica, die, wenn sie sich zu einem Oberflächenbiofilm formt, die Wurmlarven dazu veranlassen könnte, sich anzusiedeln, und dann fragten wir: Was ist es mit diesem speziellen Bakterium, das die Larven dazu bringt, sich anzusiedeln und sich zu verwandeln? sagte Freckelton.

Mit einer Reihe von Enzymexperimenten eliminierten die Forscher bakterielle Verbindungen auf Proteinbasis als potenzielle Besiedlungsauslöser. Von dort aus untersuchten sie nacheinander verschiedene lipidhaltige Verbindungen und identifizierten den Auslöser – Lipopolysaccharid, das die äußere Hülle der meisten Meeresbakterien bildet.

Sie untersuchten die Biofilm-Bakteriengemeinschaften aus vielen verschiedenen Lebensräumen, um zu erfahren, welche Bakterienarten vorhanden waren und wie sie sich zwischen den Gemeinschaften verglichen. Sie entdeckten, dass, obwohl Tausende von Bakterienarten den Biofilm in einem bestimmten Meereslebensraum bilden, sie sich von einem Ort zum anderen erheblich unterscheiden.

„Tatsächlich haben wir verschiedene Stämme derselben Bakterienart, die aus Kaneʻohe Bay und Pearl Harbor stammen, und die Hydroides-Larven siedeln sich nur als Reaktion auf die aus Pearl Harbor an“, sagte Hadfield, der Forscher am Kewalo Marine Lab war in PBRC seit 1968. „Darüber hinaus haben wir in unserem Labor festgestellt, dass Larven der Koralle Pocillopora damicornis, die in der Kaneʻohe Bay reichlich vorhanden ist, sich nur als Reaktion auf den Kaneʻohe Bay-Stamm des Bakteriums ansiedeln. Das ist ein Durchbruch, weil es sagt uns über die Besonderheiten bestimmter Bakterien, die eine Gemeinschaft von Tieren führen und erhalten, wo sie vorkommen.“

Die jüngste Entdeckung kann bei einer Reihe von unmittelbaren Problemen helfen, wie z. B. der Wiederherstellung von Korallenriffen; Marikultur von Muscheln, Austern, Muscheln und möglicherweise Garnelen und Krabben; und Biofouling, die Ansammlung von Tieren und Algen auf Schiffsrümpfen, die die Flotten und die Schifffahrtsindustrie der Welt jährlich Milliarden von Dollar kosten.

„Hoffentlich können wir diese Bemühungen unterstützen, indem wir die bakteriellen Moleküle – wahrscheinlich Lipopolysaccharide – entdecken, die die Ansiedlung von im Labor gezüchteten Korallen in gefährdeten Riffgebieten oder Austernlarven an Orten wie Pearl Harbor steuern, um ihre Filterkapazitäten einzusetzen, um das Wasser wie bisher zu reinigen wurde bereits in Chesapeake Bay durchgeführt“, sagte Hadfield. „Darüber hinaus kann unsere Forschung direkt zur Entwicklung von Schiffsrumpfbeschichtungen beitragen, die Biofouling widerstehen.“