Forschung

 

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Symbiose darmloser Oligochaeten

 

Koordination: Christian Lott

Sie haben keinen Mund, keinen Darm, keinen Anus, keine Nephridien. Sie leben in flachen Sandböden in tropischen und subtropischen Meeren und sie haben eine erstaunliche Lebensweise: unter ihrer Haut beherbergen sie bis zu 6 verschiedene Bakterienarten, die ihnen sowohl die Nahrungsaufnahme als auch die Entgiftung des Körpers abnehmen.

1998 wurden vor Elba zwei Arten der Gattung Olavius gefunden, der Erstnachweis dieser Gruppe für das Mittelmeer. Beide Arten sind grellweiß, etwa 2 cm lang und 100-200µm dick. Die neue Art Olavius ilvae ist weniger häufig als Olavius algarvensis, der vorher schon an der portugiesischen Atlantikküste gefunden wurde. Nebem dem Hauptfundort, der Bucht von Sant'Andrea im Nordwesten Elbas, sind mittlerweile auch von der Nachbarinsel Pianosa Stellen bekannt, an denen verschiedene Arten darmloser Oligochaeten vorkommen.

Berühmt wurden unsere „Würmchen“ durch die Aufklärung der Beziehung zwischen den Bakterien und dem Wirt, die an die Nutzung und das interne Recycling unterschiedlicher Schwefelverbindungen geknüpft zu sein scheint. Während eine Bakteriengruppe mit Hilfe von Schwefelwasserstoff autotroph CO2 fixieren kann, erzeugen andere Bakterien aus dem im Meerwasser häufigen Sulfat reduziertes Sulfid.

Wandert der Wurm im Sandlückensystem des Meeresbodens zwischen sauerstoffhaltiger und sauerstofffreier Schicht hin und her, kann er diese ökophysiologische Batterie aufladen und seinen Nutzen aus der dabei von seinen Symbionten aufgebauten Biomasse ziehen, so die Hypothese.

Die molekularen Aspekte dieser Symbiose erforschen Dr. Nicole Dubilier und ihre Symbiose-Gruppe am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. So konnten die grundlegenden Stoffwechselmechanismen dieser multiplen Symbiose schon bald nach Entdeckung des Wurmes in ein Modell gefasst werden (Dubilier, et al., 2001).

In Zusammenarbeit mit Dr. Tanja Woyke am Joint Genome Institut wurden bei der ersten großen Metagenom-Studie einer multiplen Symbiose tiefe Einblicke in das physiologische Potential der bakteriellen Partner gewonnen (Woyke, et al., 2006). Die Untersuchung der tatsächlich exprimierten Gene, der sich Manuel Kleiner (Uni Greifswald und Symbiose-Gruppe, MPI Bremen) in einem großen Metaproteom-Projekt angenommen hat, ist die logische Konsequenz.

Die Mikrosensor-Gruppe von Dr. Dirk de Beer am MPI untersucht die Biogeochemie des Habitats. Um die aus der Genomanalyse gewonnenen Erkenntnisse mit der Lebensweise der Würmer und ihrer Bakterien im Meeresboden verbinden zu können, erforscht Christian Lott (HYDRA/MPI Bremen) vor Ort folgende Themenbereiche:

- Biogeochemie im natürlichen Lebensraum, v.a. die Suche nach dem finalen Elektronenakzeptor für die Oxidation des Sulfids;
- Populationsdynamik und  Verteilung der Arten;
- Ökophysiologie der Symbionten und des Wirts;
- Transmission der Symbionten von den Eltern auf die Nachkommen. Dieser Aspekt wird inzwischen von Cécilia Wentrup bearbeitet.

 

Kooperationen:

Dr. Nicole Dubilier, Caroline Rühland, Dr. Claudia Bergin, Cecilia Wentrup, Manuel Kleiner, Christian Lott (Symbiosis Group, Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen): Molekulare Ökologie
Dr. Dirk de Beer, Dr. Miriam Weber, Dr. Lubos Polerecky (Microsensor Group, Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Bremen): Biogeochemie, Mikrosensorik, Modellierung
Stefan Häusler (Uni Heidelberg, MPI Bremen, HYDRA)
Dr. Tanja Woyke (Joint Genome Institute, Berkeley, USA): Metagenomics
Prof. Dr. Thomas Schweder, Prof. Dr. Michael Hecker, Manuel Kleiner (ZIK und Uni Greifwald): Proteomics
Prof. Dr. Olav Giere (Uni Hamburg): Meiofauna
Prof. Dr. Christer Erséus (Uni Göteborg/Schweden): Taxonomie und Phylogenie darmloser Oligochaeten
Prof. Dr. Georg Fuchs, Jan Zarzycki (Uni Freiburg): Enzymaktivität
Dr. Michael Lalk, Manuel Liebeke (Pharmazeutische Biologie, Uni Greifswald): organische Stoffe im Porenwasser

 

Publikationen:

Giere O & Ersèus C (2000):
Taxonomy and new bacterial symbioses of gutless marine Tubificidae (Annelida, Oligochaeta) from the Island of Elba (Italy).
Org. Divers. Evol. 2:289-297

Dubilier N, et al. (2001):
Endosymbiotic sulphate-reducing and sulphur-oxidizing bacteria in an oligochaete worm.
Nature 411:298-302

Miriam Perner (2003):
Biogeochemische und mikrobiologische Charakterisierung mariner Sedimente vor Elba – ein Beitrag zur ökosystemaren Analyse bakteriensymbiontischer Oligochaeten
Diplomarbeit, Uni Hamburg

Woyke, et al. (2006):
Metagenomics of microbial symbionts in a gutless worm.
Nature 443:950-955

Weber, et.al. (2007):
In situ applications of a new diver-operated motorized microsensor profiler
Environmental Science and Technology, 41 (17): 6210-6215

Ruehland C, Blazejak A, Lott C, Loy A, Erséus C, Dubilier N. (2008):
Multiple bacterial symbionts in two species of co-occurring gutless marine
worms from Mediterranean sea grass sediments.
Environ. Microbiol. 10: 3404-3416

Kleiner M, Woyke T, Ruehland C, Dubilier N. (2011):
The Olavius algarvensis metagenome revisited: lessons learned from the analysis
of the low diversity microbial consortium of a gutless marine worm.
In: Handbook of Molecular Microbial Ecology II; Metagenomics in Different Habitats. Ed: de Bruijn FJ. Wiley/Blackwell.

Kleiner M,  Wentrup, C., Lott, C., Teeling, H., Wetzel, S., Young, J., Chang, Y., Shah, M., VerBerkmoes, N. C. , Zarzycki, J., Fuchs, G., Markert, S., Hempel, K., Voigt, B., Becher, D., Liebeke, M., Lalk, M., Albrecht, D., Hecker, M., Schweder, T., Dubilier, N. (2012):
The Metaproteomics of a gutless marine worm and its symbiotic microbial community reveal unusual pathways for carbon and energy use.
PNAS, (109) 19, May 08, 2012, E1173-E1182 Published online before print April 18, 2012, doi: 10.1073/pnas.1121198109

mehr über chemosynthetische Symbiosen:

Dubilier N, Bergin C, Lott (2008):
Symbiotic diversity in marine animals: the art of harnessing chemosynthesis.
Nature Rev. Mic. 6:725-740