Zählung von Ridge-to-Reef-Ökosystemen enthüllt verborgenes Reservoir für Mikrobiome

In einer monumentalen Feldexpedition sammelte ein Forscherteam der University of Hawai’i (UH) an der Mānoa School of Ocean and Earth Science and Technology (SOEST) mehr als 3.000 Proben von Mikroben und Mikrobiomen, die in der gesamten Wasserscheide des Waimea Valley vorhanden sind auf O’ahu, Hawaii. Ihre Untersuchung ergab drei wichtige Entdeckungen: Mikroben folgen dem Nahrungsnetz, der größte Teil der mikrobiellen Vielfalt in einer Wasserscheide wird im Boden und im Flusswasser gehalten, und die lokale Verbreitung einer Mikrobe sagt ihre globale Verbreitung voraus. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Science.

Pflanzen und Tiere beherbergen Dutzende bis Tausende verschiedener Mikroben, die zusammen als Mikrobiome bezeichnet werden. Sie verstoffwechseln unsere Nahrung, entgiften Schadstoffe und helfen, Krankheiten abzuwehren. Mikroben besetzen auch jeden Lebensraum um uns herum und betreiben die Maschinerie, die die Luft, die wir atmen, das Wasser, das wir trinken, erhält und den Boden unter unseren Füßen bildet. Trotz ihrer Bedeutung sind die meisten Mikrobiome von Pflanzen und Tieren im Allgemeinen nicht bei der Geburt vorhanden und werden stattdessen erworben. Aber woher? Und wo leben Mikroben, wenn nicht in ihren Wirten?

Das Forschungsteam führte einen Mikrobiom-„Bioblitz“ durch – eine nahezu vollständige Zählung aller Umweltsubstrate und möglicher Wirte für Mikroben innerhalb der Wasserscheide. Sie nahmen Proben vom nassen Gipfel des Puʻu Kainapuaʻa, der niedrigen Überschwemmungsebene des Waimea Valley und sogar dem klaren Wasser der Waimea Bay. Forscher sammelten Bodenproben; Bach- und Meerwasser; Tiere, einschließlich Ratten, Krebse, Mücken und Seeigel; und Pflanzen, einschließlich Bäume, Farne und Algen; und vieles mehr. Sie extrahierten und sequenzierten mehr als 800 Millionen mikrobielle DNA-„Barcodes“, um festzustellen, welche Mikroben wo vorhanden waren.

Als das Team bewertete, wo die größte Vielfalt an Mikroben gefunden wurde und wo es weniger Arten gab, folgte die Struktur dem Nahrungsnetz – viele Arten in Boden und Wasser, weniger in Pflanzen und noch weniger in Tieren.

„Darüber hinaus waren Mikroben, die in Tieren gefunden wurden, eher eine Untergruppe der mit Pflanzen assoziierten Mikroben, und die Mikroben auf Pflanzen waren eher eine Untergruppe der Mikroben in Boden, Wasser und Sedimenten“, sagte Sean Swift, Co-Autor der Studie und Doktorand im UH Mānoa Marine Biology Graduate Program. „Es ist, als ob Pflanzen ihr Mikrobiom aus der Umwelt zusammenstellen und Tiere dann ihr Mikrobiom aus dem der Pflanzen auswählen. Mikrobiome von Organismen sind im Allgemeinen Untergruppen von denen, die in der Nahrungskette weiter unten stehen.“

Ein offensichtliches Mittel zum Aufbau eines Mikrobioms besteht darin, Mikroben von einem verwandten Wirt zu erwerben – so wie beispielsweise eine menschliche Mutter ihr Mikrobiom mit einem Säugling teilt.

„Dieses Modell reicht jedoch nicht aus, um Mikrobiome in einer dynamischen Landschaft zu erhalten“, sagte Nicole Hynson, außerordentliche Professorin am Pacific Biosciences Research Center (PBRC) an der SOEST. „Viele Pflanzen und Tiere sind spärlich, saisonal oder kurzlebig und erfordern, dass ihre symbiotischen Mikroben in der Lage sein müssen, sich zeitweise in wechselnden nahe gelegenen Wirten oder Umgebungen aufzuhalten Mikroben, um Wirte zu besiedeln, wenn sie verfügbar sind.“

Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist, dass die lokale Verbreitung einer mikrobiellen Spezies ihre globale Verbreitung vorhersagt.

„Mikroben, die nur in einem oder zwei Organismen oder Umgebungen im Waimea Valley vorkommen, sind wahrscheinlich nicht weltweit verbreitet“, sagte Craig Nelson, Co-Autor und außerordentlicher Forschungsprofessor am Daniel K. Inouye Center for Microbial Oceanography: Research and Education und Hawaii »Ich Sea Grant. „Einige Mikroben waren in Waimea weit verbreitet und sind vermutlich an alle Arten von Wirten und Lebensräumen anpassbar. Unsere Analysen haben gezeigt, dass diese generalistischen Mikroben auch am häufigsten aus verschiedenen Lebensräumen auf der ganzen Welt gewonnen wurden.“

Sowohl Pflanzen als auch Tiere brauchen Mikroben, um gesund zu bleiben. Die jüngste Arbeit beleuchtet die Vielfalt und Verteilung von Mikrobiomen im Landschaftsmaßstab, ein Ansatz, der durch die einzigartige Struktur und Habitatvielfalt der hawaiianischen Wassereinzugsgebiete ermöglicht wird.

„Das Verständnis der Quellen gemeinsamer mikrobieller Vielfalt in Ökosystemen ermöglicht es uns, die Ursprünge und Aufbauprozesse symbiotischer Mikroben und ihre Rolle bei der Erhaltung der Biodiversität und der Ökosystemleistungen besser zu verstehen“, sagte Anthony Amend, Hauptautor der Studie und außerordentlicher Professor an der PBRC. „Wenn wir einheimische Pflanzen und Tiere in einem Gebiet wiederherstellen wollen, müssen wir möglicherweise auch darüber nachdenken, die Quellumgebungen für ihre Mikrobiome wiederherzustellen. Mikroben sind eine weitere Möglichkeit, wie Organismen mit der Umwelt verbunden sind.“

Das Forschungsteam von UH Mānoa bestand aus Experten der SOEST, der Hochschule für Sozialwissenschaften, der Hochschule für tropische Landwirtschaft und Humanressourcen und der Hochschule für Naturwissenschaften.