Vom Schwamm-Mikrobiom, Einblicke in die evolutionäre Vergangenheit

Schwämme in Korallenriffen, weniger auffällig als ihre Korallennachbarn, aber wichtig für die allgemeine Gesundheit der Riffe, gehören zu den frühesten Tieren auf dem Planeten. Neue Forschungsergebnisse des UNH untersuchen Ökosysteme von Korallenriffen mit einem neuartigen Ansatz zum Verständnis der komplexen Evolution von Schwämmen und der Mikroben, die in Symbiose mit ihnen leben. Mit dieser „genomischen Zeitmaschine“ können Forscher Aspekte von Riff- und Ozeanökosystemen über Hunderte von Millionen Jahren dramatischer evolutionärer Veränderungen vorhersagen.

„Diese Studie zeigt, wie sich Mikrobiome in einer über 700 Millionen Jahre alten Gruppe von Organismen entwickelt haben“, sagt Sabrina Pankey, Postdoktorandin am UNH und Hauptautorin der Studie, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Naturökologie & Evolution. „Schwämme nehmen als Reaktion auf den Klimawandel an Riffen in Hülle und Fülle zu und sie spielen eine enorme Rolle bei der Wasserqualität und Nährstofffixierung.“

Die Bedeutung der Arbeit geht jedoch über Schwämme hinaus und bietet einen neuen Ansatz zum Verständnis der Vergangenheit auf der Grundlage der Genomik. „Wenn wir die Evolutionsgeschichte komplexer mikrobieller Gemeinschaften wie dieser rekonstruieren können, können wir viel über die Vergangenheit der Erde aussagen“, sagt David Plachetzki, Co-Autor der Studie, außerordentlicher Professor für molekulare, zelluläre und biomedizinische Wissenschaften am UNH. „Forschungen wie diese könnten Aspekte der chemischen Zusammensetzung der Ozeane der Erde aufdecken, die zurückreichen, bevor es überhaupt moderne Korallenriffe gab, oder sie könnten Einblicke in den Tumult geben, den Meeresökosysteme nach dem größten Artensterben der Geschichte erlebten Vor 252 Millionen Jahren.“

Die Forscher charakterisierten fast 100 Schwammarten aus der gesamten Karibik mit einer maschinellen Lernmethode, um die Identität und Häufigkeit jedes Mitglieds der einzigartigen Mikrobiome der Schwämme, der Gemeinschaft von Mikroben und Bakterien, die in ihnen in Symbiose leben, zu modellieren. Sie fanden zwei unterschiedliche Mikrobiomzusammensetzungen, die zu unterschiedlichen Strategien führten, die Schwämme zur Nahrungsaufnahme (Schwämme nehmen Nährstoffe auf, indem sie Wasser durch ihren Körper pumpen) und zum Schutz vor Raubtieren führten – sogar bei Arten, die Seite an Seite auf einem Riff wuchsen.

„Die Arten von symbiotischen Gemeinschaften, die wir in diesem Artikel beschreiben, sind sehr komplex, aber wir können zeigen, dass sie sich mehrmals unabhängig voneinander entwickelt haben“, sagt Plachetzki.

Und, fügt Pankey hinzu, „es gibt etwas sehr Spezifisches an dem, was diese mikrobiellen Gemeinschaften tun … Schwämme haben dutzende Male entschieden, dass diese vielfältige Anordnung von Mikroben für sie funktioniert.“

Durch die Nutzung dieses neuen genomischen Ansatzes fanden die Forscher heraus, dass der Ursprung eines dieser unterschiedlichen Mikrobiome, das eine hohe mikrobielle Häufigkeit (HMA) von mehr als einer Milliarde Mikroben pro Gramm Gewebe aufwies, zu einer Zeit auftrat, als die Ozeane der Erde einen signifikanten Schaden erlitten Veränderungen in der Biogeochemie, die mit den Ursprüngen moderner Korallenriffe zusammenfallen.

Während maschinelles Lernen und Genomsequenzierung die Ergebnisse hervorbrachten, die Plachetzki als „eine Tour de Force der mikrobiellen Barcode-Sequenzierung“ bezeichnet, begann diese Forschung weit entfernt vom Labor, in den warmen Gewässern der Karibik.

„Wir haben nach allen 1.400 dieser Proben getaucht“, sagt Pankey, der 2017 und 2018 an fünf Expeditionen teilgenommen hat, um Schwämme zu sammeln. „Es war eine monströse Sammlung“, fügt sie hinzu und räumt ein, dass das Gerätetauchen in der Karibik seinen Lohn hat. Das Duo dankt dem Co-Autor Michael Lesser, emeritierter UNH-Forschungsprofessor, für die Etablierung von Feldarbeitstechniken und ihren Co-Autoren von der University of Mississippi und der Universidad Nacional del Comahue in Argentinien für die Unterstützung beim Sammeln von Schwämmen und der molekularen Identifizierung. Der ehemalige Doktorand Keir Macartney trug ebenfalls zu der Studie bei.