Unter der Oberfläche spielen bakterienfressende Fadenwürmer eine Schlüsselrolle im Nährstoffkreislauf, da sie Bakterien fressen, die organische Stoffe zersetzen. Traditionell werden diese Fadenwürmer in Laborumgebungen untersucht, in denen isolierte Bakterienstämme verwendet werden, um die Wechselwirkungen auf Petrischalen zu überwachen. Solche Umgebungen bilden die komplexen mikrobiellen Ökosysteme in natürlichen Umgebungen jedoch nicht genau nach.
Um diese Lücke zu schließen, haben Forscher ein künstliches Ökosystem geschaffen, das eine genauere Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Fadenwürmern und ihren bakteriellen Gegenstücken ermöglicht. Dieser innovative Ansatz, der die natürlichen Bedingungen genauer nachbilden soll, hat zu neuen Erkenntnissen geführt veröffentlicht In Naturkommunikation.
Unter diesen Fadenwürmern weist der von Prof. Dr. Ralf J. Sommers Team am Max-Planck-Institut für Biologie in Deutschland untersuchte Pristionchus pacificus eine bemerkenswerte Lebensstrategie auf. Diese Art bildet eine symbiotische Beziehung mit dem Blatthornkäfer und verfällt in einen Ruhezustand, der als Dauer bezeichnet wird, während sie mit dem Käfer reist.
Nach dem Tod des Käfers erwachen die Fadenwürmer aus ihrer Ruhephase, um sich zu vermehren. Dabei ernähren sie sich von den Bakterien, die die Überreste des Käfers zersetzen. Wenn sich die Umweltbedingungen verschlechtern, kehren sie in die Dauerphase zurück und sind bereit, den Zyklus neu zu starten, wenn die Bedingungen wieder günstig werden.
Dr. Sommer und sein Team haben ihre Forschungen fortgesetzt und Feldstudien auf der Insel La Réunion durchgeführt. Dabei haben sie Käferkadaver in den Boden eingebettet, um regelmäßig die Abfolge von Fadenwürmern und Bakterien sowie die Verbreitung der Dauerlarven zu untersuchen. Das Einfangen dieser Käfer ist jedoch nur an den wenigen Tagen mit schwachem Mondlicht im Sommer möglich.
Diese saisonale Einschränkung, kombiniert mit schwankenden Umweltbedingungen wie Temperaturschwankungen und der genetischen Vielfalt der wilden Fadenwurmpopulation, erschwert die Datenanalyse und die Konsistenz der Forschungsergebnisse zusätzlich.
Um diese natürlichen Herausforderungen zu überwinden und ihre Forschung zu vertiefen, haben Dr. Sommers ehemalige Teammitglieder, die jetzt ihre eigenen Projekte an der Northwest A&F University leiten, einen innovativen Laboransatz entwickelt. Sie verwenden künstlich gezüchtete Käferlarven anstelle von wilden Exemplaren. Indem sie Fadenwürmer mit bekannten Genotypen einführen, nachdem das Bakterienwachstum in den verwesenden Larven begonnen hat, schaffen sie eine kontrollierte Umgebung, die eine genaue Untersuchung dieser Wechselwirkungen ermöglicht.
Erste Ergebnisse dieser Methode zeigen, dass Fadenwürmer bevorzugt Bakterien fressen, die Vitamin B synthetisieren können. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Bakterienpopulationen und verändert die Physiologie der Fadenwürmer, beispielsweise durch eine verringerte Fettansammlung. Dies lässt darauf schließen, dass die Energie stärker auf Wachstum und Reproduktion konzentriert wird.
Mit fortschreitender Zersetzung weisen die vorherrschenden Bakterien kleinere Genome und verringerte Wachstumsraten auf. Dies sind Bedingungen, die bei den Fadenwürmern den Übergang in einen auf das Überleben ausgerichteten Dauerzustand auslösen.
Der Versuchsaufbau mit verwesenden Käferkadavern bietet Wissenschaftlern einen robusten Rahmen zur Erforschung von Genen, die in natürlichen mikrobiellen Ökosystemen funktionieren. Bei ihren Untersuchungen haben die Forscher festgestellt, dass bestimmte Gene von P. pacificus auf Käferkadavern anders exprimiert werden, als wenn die Fadenwürmer dem Laborbakterium E. coli OP50 ausgesetzt werden. Diese Unterschiede deuten darauf hin, dass diese Gene möglicherweise speziell angepasst sind, um in insektenassoziierten mikrobiellen Gemeinschaften zu gedeihen.
Darüber hinaus ergaben frühere Untersuchungen, dass P. pacificus durch horizontalen Gentransfer das Cellulase-Gen erworben hat, das für den Abbau bakterieller Biofilme von entscheidender Bedeutung ist.
Interessanterweise haben Experimente gezeigt, dass das Ausschalten des Cellulase-Gens dazu führt, dass die Fadenwürmer im Zusammenhang mit dem Käferverfall vorzeitig in die Dauerphase eintreten. Dies unterstreicht den Wert dieses experimentellen Ansatzes für die Erweiterung unseres Verständnisses der genetischen Anpassung an natürliche Umgebungen.
Die Autoren dieser Studie sind besonders begeistert vom Potenzial dieses experimentellen Systems, ungelöste Fragen anzugehen. Sie möchten die mikrobiellen Signale untersuchen, die physiologische Veränderungen bei P. pacificus auslösen, insbesondere diejenigen, die den Dauerzustand auslösen.
Diese Forschung soll unser Verständnis der Anpassungsmechanismen von Fadenwürmern in natürlichen Umgebungen vertiefen und bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Erforschung der komplexen Beziehung zwischen genetischem Ausdruck und Umweltfaktoren.
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Wen-Sui Lo et al., Mikrobiota-Sukzession beeinflusst die Physiologie der Nematoden in einem Käfer-Mikrokosmos-Ökosystem, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49513-5