Studie zeigt, dass Kieselalgen einen attraktiven Lebensraum für Bakterien bieten

Einzellige Algen und Meeresbakterien leben in einer komplexen, aber weitgehend unerforschten Beziehung. Nun zeigt eine neue Studie, dass die Oberfläche von Kieselalgen ein überraschend vielfältiger Lebensraum für Bakterien ist. Ein Team der Universität Oldenburg konnte erstmals zeigen, dass die Oberfläche deutliche mikroskalige biochemische Variationen aufweist. Die Besiedlung durch verschiedene Bakterienarten ist fein abgestimmt auf diese Struktur. Da Kieselalgen große Mengen an Kohlenstoff binden und die Grundlage mariner Nahrungsnetze bilden, ist ihre Beziehung zu Bakterien von grundlegender Bedeutung für das Klima und die Ökologie der Meere.

Einzellige Algen sind ein attraktiver und überraschend vielfältiger Lebensraum für Meeresbakterien. Ein Forschungsteam um den Mikrobiologen Professor Dr. Meinhard Simon von der Universität Oldenburg hat nun erstmals gezeigt, wie verschiedene Bakterienarten dazu neigen, verschiedene Teile einer gewöhnlichen mikroskopisch kleinen Kieselalge aus der Nordsee zu besiedeln. Die Ergebnisse seiner Studie stellt das Team in der aktuellen Ausgabe des vor Zeitschrift für Physiologiedie die komplexen Wechselwirkungen zwischen Algen und Bakterien beleuchten, die von grundlegender Bedeutung für Stoffkreisläufe und Nahrungsnetze in Meeresumgebungen sind.

Kieselalgen sind eine wichtige Art von Phytoplankton – die meist mikroskopisch kleinen, einzelligen Algen, die in den Weltmeeren leben. Eingeschlossen in eine feste Silikathülle produzieren Kieselalgen etwa ein Fünftel des Sauerstoffs der Erdatmosphäre und wandeln zudem bei der Photosynthese Kohlendioxid aus der Luft in Biomasse um, wodurch sie mehr CO2 binden als die tropischen Regenwälder, weshalb sie eine Schlüsselrolle in der Kohlenstoffkreislauf und für das Klima.

„Kieselalgen leben in enger Gemeinschaft mit Bakterien, aber über viele Aspekte ihrer Wechselwirkungen ist wenig bekannt“, erklärt Simon. Diese mikroskopischen Wechselwirkungen, die für die Ökologie und Biochemie der Meere von entscheidender Bedeutung sind, haben der Biologe und sein Team nun genauer unter die Lupe genommen.

Das Oldenburger Team um Professor Simon, Dr. Sara Billerbeck und Doktorandin Tran Quoc Den hat eine häufig vorkommende Kieselalge namens Thalassiosira rotula ausgewählt und mit verschiedenen mikroskopischen Methoden deren Besiedlung mit Bakterien detailliert analysiert. An der Studie war auch Dr. Thomas Neu vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Magdeburg beteiligt.

Mithilfe von fluoreszierenden Farbstoffen konnten die Forscher zeigen, dass die Oberfläche dieser Alge deutliche biochemische Variationen im Mikromaßstab aufweist. Mit Lektinen – komplexen biochemischen Verbindungen, die sehr spezifisch an bestimmte Protein-Kohlenhydrat-Komplexe binden – markierten sie die verschiedenen Bereiche auf der Algenoberfläche, färbten sie ein und machten sie mit Hilfe eines speziellen Mikroskops als 3D-Bilder sichtbar.

Die Wissenschaftler fanden außerdem heraus, dass verschiedene Bakterienarten darauf spezialisiert sind, verschiedene Bereiche der Algen zu besiedeln. Die beobachteten Bakterien gehörten hauptsächlich zur Roseobacter-Gruppe und zum Flavobacteria-Stamm.

„Die Zelloberfläche von Diatomeen ist in ihrer Struktur überraschend vielfältig. Wir hatten nicht erwartet, dass die Besiedlung durch die verschiedenen Bakterienarten so fein auf diese Struktur abgestimmt ist“, erklärt Simon. Das Team beobachtete auch, dass bestimmte Bakterienarten häufiger auf feinen Härchen oder „Fäden“ auf der Oberfläche der Algen zu finden sind.

„Die Besiedlungsmuster spiegeln die sehr unterschiedlichen Stoffwechseleigenschaften verschiedener Bakterienarten und ihre Fähigkeit wider, Oberflächen zu besiedeln“, fasst Simon die Ergebnisse des Teams zusammen.

Diese Ergebnisse sind auch deshalb interessant, weil sie einen Einblick in die Mikroumgebung der Kieselalgen geben. Diese als „Phycosphäre“ bekannte Umgebung ist reich an organischen Substanzen, die von den Algenzellen ausgeschieden werden.

„Bisherige Studien haben gezeigt, dass die Algen damit bestimmte Bakterien anlocken, die überlebenswichtige Stoffe produzieren, zum Beispiel Vitamine – ähnlich wie Pflanzen mit ihren Blüten Bienen anlocken“, erklärt Simon. „Aufbauend auf diesen neuen Erkenntnissen könnten zukünftige Studien die genaue Funktion der verschiedenen Bakterienarten in der Phycosphäre genauer untersuchen.“