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Von der Küs­te bis ins of­fe­ne Meer

CTD
© Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/D. Bravo

Früh­lings­blü­ten auf Hel­go­land

Je­des Jahr im Früh­jahr, mit zu­neh­men­dem Son­nen­licht, be­gin­nen Kie­sel­al­gen und an­de­re Mi­kro­al­gen in der Nord­see zu wach­sen. Sie bil­den schnell Blü­ten, die vom Welt­raum aus sicht­bar sind und von glo­ba­ler Be­deu­tung für den Koh­len­stoff­kreis­lauf sind. Gro­ße Men­gen an CO2 wer­den der At­mo­sphä­re ent­zo­gen und in der Al­gen­bio­mas­se fi­xiert, meist als Po­ly­sac­cha­ri­de und Pro­te­ine.

In­ner­halb we­ni­ger Wo­chen wer­den die Al­gen­blü­ten nähr­stof­fli­mi­tiert und bre­chen schließ­lich durch Ab­wei­den und Vi­ren­be­fall zu­sam­men. Wie re­mi­ne­ra­li­sie­ren wel­che Mee­res­bak­te­ri­en die­se Al­gen­bio­mas­se und set­zen da­bei ei­nen Groß­teil des CO2 frei? Die­se wich­ti­ge For­schungs­fra­ge wur­de in den letz­ten Jah­ren sehr de­tail­liert er­forscht. In ei­ner da­ten­rei­chen Stu­die (Tee­ling et al., 2016) konn­ten wir zei­gen, dass in vier Fol­ge­jah­ren die glei­chen Bak­te­ri­en­gat­tun­gen von der Al­gen­bio­mas­se pro­fi­tie­ren.

 

Succession of distintc bacterioplankton genera after spring diatom bloom in 2009
Schnelle Sukzession von Bakteriengattungen nach der Kieselalgenblüte im Frühjahr; in grau Chlorophyll a-Konzentration als Proxy für die Algenbiomasse. © Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/B. Fuchs

Po­ly­sac­cha­rid-Ver­wer­tungs-Loci

Gro­ße Ope­rons, die für koh­len­hy­drat­ak­ti­ve En­zy­me (CA­Zy­me) ko­die­ren, so­ge­nann­te Po­ly­sac­cha­rid-Uti­li­sa­ti­on-Loci (PULs), sind nicht nur ein Mar­ken­zei­chen von Darm-Bac­te­ro­ide­tes, son­dern auch der Schlüs­sel zur Sub­strat­spe­zia­li­sie­rung von ma­ri­nen Flav­o­bak­te­ri­en.

Letz­tes Jahr ha­ben wir PULs aus kon­trast­rei­chen Ober­flä­chen­ge­wäs­sern des Nord­at­lan­tiks pu­bli­ziert (Ben­n­ke et al. 2016), und ana­ly­sie­ren der­zeit 44 Me­ta­ge­no­me, die aus den Früh­jahrs­blü­ten 2009-2012 ge­won­nen wur­den (Krü­ger et al. un­ver­öf­fent­licht). Zu­sätz­lich wur­den etwa 200 PULs in den Ge­no­men von 60 Flav­o­bak­te­ri­en-Iso­la­ten aus der Nord­see durch die Grup­pe von Jens Har­der iden­ti­fi­ziert (Kap­pel­mann et al. un­ver­öf­fent­licht).

Laminarin-induced locus of Polaribacter sp. and other Flavobacteria
Laminarin-induzierter Locus von Polaribacter sp. Hel1_33_49 - Genanordnung ähnlicher Loci in anderen Flavobacteriaceae, einschließlich Polaribacter sp. Hel1_85; Zahlen bezeichnen GH-Familien (nc=nicht klassifiziert); Spezies, die in Kultivierungsexperimenten nachweislich Laminarin verwenden, sind mit einem Sternchen (*) gekennzeichnet; Spezies, deren Laminarin-Verwendung durch Proteomik unterstützt wird, sind mit einer Raute (#) gekennzeichnet. (Entnommen aus Xing et al., 2015). © Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/J. Xing

Ei­gen­nüt­zi­ge Bak­te­ri­en

Durch ei­nen glück­li­chen Zu­fall ent­deck­ten wir, dass die Ver­wer­tung von fluo­res­zenz­mar­kier­ten Po­ly­sac­cha­ri­den durch Licht­mi­kro­sko­pie sicht­bar ge­macht wer­den kann (Reint­jes et al., 2017). Flav­o­bak­te­ri­en bin­den und bau­en Po­ly­sac­cha­ri­de teil­wei­se an der äu­ße­ren Mem­bran ab, von wo aus gro­ße, noch fluo­res­zenz­mar­kier­te Oli­go­sac­cha­ri­de über TonB-ab­hän­gi­ge SusC-Trans­por­ter schnell in den pe­ri­plas­ma­ti­schen Raum auf­ge­nom­men wer­den (sie­he rechts). Erst in die­sem dif­fu­si­ons­ge­schütz­ten Raum er­folgt der Ab­bau zu Mono- und Di­sac­cha­ri­den, die schließ­lich über die in­ne­re Mem­bran ins Zy­to­plas­ma trans­por­tiert wer­den. Die­ser Me­cha­nis­mus wur­de als "ego­is­ti­sche" Po­ly­sac­cha­ridver­wer­tung be­zeich­net, da er den Ver­lust von CA­Zy­me und das "Tei­len" von Ab­bau­pro­duk­ten mit "be­trü­ge­ri­schen" Bak­te­ri­en ver­mei­det.

Selfish Bacteria
Konfokale Laser-Scanning-Aufnahme von "eigennützigen" Bakterien aus dem Nordatlantik. Fluorescein-markiertes Laminarin ist im periplasmatischen Raum sichtbar (grün). Blau: Mit DAPI gefärbte DNA. © Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/G. Reintjes

Ag­gre­ga­te

Ober­flä­chen­ge­wäs­ser sind durch ein Kon­ti­nu­um an or­ga­ni­scher Ma­te­rie ge­kenn­zeich­net, das von ge­lös­ten Mo­le­kü­len bis hin zu Par­ti­keln reicht, die sicht­ba­re ma­ri­ne Ag­gre­ga­te bil­den kön­nen. Sol­che Par­ti­kel stel­len Hot­spots des mi­kro­bi­el­len Le­bens dar. Wir tes­te­ten die Hy­po­the­se, dass sich die mi­kro­bi­el­len Ge­mein­schaf­ten in der 0,2-3 µm gro­ßen Frak­ti­on, die mit frei­le­ben­den Bak­te­ri­en an­ge­rei­chert ist, grund­le­gend von de­nen un­ter­schei­den, die auf Fil­tern mit ei­ner Po­ren­grö­ße von 3, 5 oder 10 µm ge­sam­melt wur­den und die haupt­säch­lich par­ti­kel­as­so­zi­ier­te Mi­kro­or­ga­nis­men wi­der­spie­geln. Zwei rRNA-ba­sier­te ta­xo­no­mi­sche Stu­di­en, die die­se Hy­po­the­se un­ter­stüt­zen, wur­den im Be­richts­zeit­raum ab­ge­schlos­sen. Sie wur­den in küs­ten­na­hen ma­ri­nen und lim­ni­schen Ge­wäs­sern (Bi­zic-Io­nescu et al., 2014) und im west­afri­ka­ni­schen Auf­triebs­ge­biet (Thie­le et al., 2015) durch­ge­führt und ge­hen zu­künf­ti­gen Stu­di­en vor­aus, in de­nen wir das ge­no­mi­sche Re­per­toire, ins­be­son­de­re das PUL-Spek­trum von frei­le­ben­den und par­ti­kel­as­so­zi­ier­ten Bak­te­ri­en un­ter­su­chen wol­len.

Diatom colonized by Flavobacteria
Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie-Aufnahme von Chaetoceros-Kieselalgen, die stark von marinen Flavobakterien (grün) und Mitgliedern der gammaproteobakteriellen Klade SAR92 (rot) besiedelt sind. Die Kieselalgenzellen sind mit fluoreszierend markierten Lektinen (orange) angefärbt. Die Zellkerne sind mit DAPI (blau) gefärbt. Die Probe wurde am 06.05.2011 auf Helgoland entnommen, fixiert und auf einen Polycarbonatfilter mit einer Porengröße von 10 µm filtriert (Bakenhus, unveröffentlicht). © Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie/I. Bakenhus
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