Anpassungsmechanismen und biogeochemische Relevanz ultra-oligotropher Bakterien im östlichen Mittelmeer (M71/3)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Projekt wurde die Zusammensetzung des heterotrophen Bakterioplanktons im ultraoligotrophen östlichen Mittelmeer und bakterielle Anpassungsmechanismen unter extremer Nährstofflimitierung untersucht. Im östlichen Mittelmeer ist das Wachstum des heterotrophen Bakterioplanktons durch anorganisches Phosphat limitiert. In natürlichen planktonischen Bakteriengemeinschaften konnte eine deutliche Chemotaxis auf anorganisches Phosphat und organische Kohlenstoffverbindungen gezeigt werden. Dabei zeichneten sich Bakterien der Gattung Thalassospira gegenüber den anderen planktonischen Bakterien durch eine sehr spezifische Chemotaxis auf Phosphat aus. Im Rahmen unserer Untersuchungen konnten Angehörige dieses Alphaproteobacteriums erstmalig als Angehörige des Bakterioplanktons in Wasserproben aus dem östlichen Mittelmeer identifiziert werden. In den Chemotaxisansätzen mit Phosphat ließen sich 6 Phylotypen von Thalassospira nachweisen. Davon stellten 5 bisher unbekannte Sequenztypen dar. Offenbar kommen im ultraoligotrophen östlichen Mittelmeer bisher unentdeckte, chemotaktisch aktive Subpopulationen der Gattung Thalassospira vor. Bakterien dieser Gattung konnten in allen Proben nachgewiesen waren und erreichten Abundanzen von bis zu 1.2% aller 16S rRNA Gene. Ein auffälliges Ergebnis des Projektes war, dass die in den Chemotaxiskapillaren nachgewiesenen Bakterien ausnahmslos zu Bakteriengattungen gehören, die bekannte copiotrophe Bakterien mit r-Strategie darstellen. Diese Bakterien sind im Gegensatz zu oligotrophen Vertretern an die schnelle Nutzung von Nährstoffpulsen angepasst und in der Lage, Perioden der Nährstoffknappheit zu überdauern. Anhand eines Isolates (Thalassospira sp. EM) wurde die Chemotaxis und der Effekt der Phosphatlimitierung detailliert untersucht. Die hochbeweglichen Zellen erreichen eine maximale Schwimmgeschwindigkeit von 63 µm·s-1, welche die Geschwindigkeiten anderer copiotropher mariner Bakterien übertrifft. Thalassospira EM zeigte eine stark positive chemotaktische Reaktion auf Phosphat, die jedoch ausschließlich in phosphatlimitierten Kulturen zu beobachten war. Die Schwellenkonzentration für die chemotaktische Reaktion lag bei 1 µM und ist damit 10- bis 50-fach geringer als bei bisher untersuchten Mikroorganismen. Dies lässt darauf schließen, dass Thalassospira besonders gut an die Chemotaxis auf Phosphat angepasst ist und diesbezüglich einen selektiven Vorteil im Plankton hat. Die chemotaktische Reaktion ermöglicht den Bakterien ein schnelles Auffinden punktförmiger Substratquellen und damit eine effizientere Nutzung limitierender Nährstoffe. Während bisher nur Aminosäuren, Glucose, Stickstoffverbindungen oder Dimethylsulfoniopropionat als Chemoattraktants planktischer mariner Bakterien bekannt waren, konnte mit der gegenwärtigen Studie erstmalig die Chemotaxis auf Phosphat als eine Anpassungsstrategie für ein im Plankton nachweisbares Bakterium gezeigt werden. Mit unseren Ergebnissen wird auch die Persistenz mariner copiotropher Bakterien an ultraoligotrophen Standorten besser verständlich. Es ist davon auszugehen, dass die in der vorliegenden Studie entdeckte Chemotaxis die Umsetzungen von Phosphat in der Wassersäule beschleunigt und daher eine wichtige Einflussgröße für die planktische Primärproduktion darstellt. Dies gilt möglicherweise auch für andere phosphatlimitierte Bakterioplanktongemeinschaften in der Sargassosee, der Karibik, dem subtropischen Pazifik oder dem Roten Meer.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2010). Novel cultivation strategies for environmentally important microorganisms. In: Barton, L., Mandl, M., Loy, A. (eds) Geomicrobiology: Molecular and Environmental Perspective. Springer. p.69-89
Overmann, J.
- (2011). Thalassospira sp. isolated from the oligotrophic Eastern Mediterranean Sea exhibits chemotaxis toward inorganic phosphate during starvation. Appl. Environ. Microbiol. 77: 4412–4421
Hütz, A., Schubert, K., Overmann, J.
