Ein endloser Kreislauf: Wie sich einige Bakterien mit den Jahreszeiten entwickeln

Die längste jemals gesammelte natürliche Metagenom-Zeitreihe mit Mikroben offenbart ein verblüffendes evolutionäres Muster, das sich wiederholt.

Ein mikrobielles „Murmeltiertagsjahr“ im Lake Mendota

Ähnlich wie Bill Murray im Film „Und täglich grüßt das Murmeltier“ befinden sich Bakterienarten in einem See in Wisconsin in einer Art endlosem Kreislauf, aus dem sie scheinbar nicht ausbrechen können. In diesem Fall ist es jedoch eher ein „Murmeltiertagsjahr“.

Laut einer neuen Studie in Nature Microbiology fanden Forscher heraus, dass sich die meisten einzelnen Bakterienarten im Lake Mendota im Verlauf eines Jahres schnell entwickelten, offenbar als Reaktion auf die stark wechselnden Jahreszeiten. Genvarianten nahmen über Generationen hinweg zu und ab, doch Hunderte von separaten Arten kehrten fast vollständig zu nahezu identischen Kopien dessen zurück, was sie genetisch vor Tausenden von Generationen evolutionären Drucks gewesen waren. (Einzelne Mikroben haben eine Lebensspanne von nur wenigen Tagen – nicht ganze Jahreszeiten –, sodass die Arbeit der Wissenschaftler den Vergleich von Bakteriengenomen beinhaltete, um Veränderungen der Arten über die Zeit zu untersuchen.) Dieses gleiche saisonale Muster spielte sich Jahr für Jahr ab, als ob die Evolution jedes Mal auf Anfang zurückgesetzt und erneut abgespielt wurde, scheinbar ohne Fortschritt.

Unerwartetes Ausmaß evolutionärer Veränderungen

„Ich war überrascht, dass ein so großer Teil der bakteriellen Gemeinschaft diesen Typ von Veränderung durchlief“, sagte Robin Rohwer, Postdoktorandin an der University of Texas at Austin im Labor des Mitautors Brett Baker. „Ich hatte gehofft, ein paar coole Beispiele zu beobachten, aber es waren buchstäblich Hunderte.“

Rohwer leitete die Forschung, zunächst als Doktorandin in Zusammenarbeit mit Trina McMahon an der University of Wisconsin-Madison und später an der University of Texas.

Der saisonale Einfluss auf mikrobielle Stämme

Lake Mendota verändert sich stark von Saison zu Saison – im Winter ist er von Eis bedeckt, im Sommer von Algen. Innerhalb derselben Bakterienarten setzen sich Stämme, die besser an bestimmte Umweltbedingungen angepasst sind, für eine Saison durch, während andere Stämme in einer anderen Saison ihre Chance bekommen.

Das Team nutzte ein einzigartiges Archiv von 471 Wasserproben, die über 20 Jahre hinweg von McMahon, Rohwer und anderen Forschern der University of Wisconsin-Madison im Rahmen von Langzeitüberwachungsprojekten, die von der National Science Foundation finanziert wurden, gesammelt wurden. Für jede Wasserprobe erstellten sie ein Metagenom – alle genetischen Sequenzen aus DNA-Fragmenten, die von Bakterien und anderen Organismen hinterlassen wurden. Dies führte zur längsten jemals gesammelten Metagenom-Zeitreihe aus einem natürlichen System.

„Diese Studie ist ein absoluter Durchbruch für unser Verständnis, wie sich mikrobielle Gemeinschaften im Laufe der Zeit verändern“, sagte Baker. „Das ist erst der Anfang dessen, was uns diese Daten über mikrobielle Ökologie und Evolution in der Natur erzählen werden.“

Längerfristige genetische Veränderungen unter extremen Bedingungen

Im Jahr 2012 erlebte der See ungewöhnliche Bedingungen: Die Eisdecke schmolz früh, der Sommer war heißer und trockener als üblich, der Wasserfluss aus einem Fluss, der den See speist, nahm ab, und Algen – eine wichtige organische Stickstoffquelle für Bakterien – waren knapper als gewöhnlich. Wie Rohwer und ihr Team entdeckten, erlebten viele der Bakterien im See in diesem Jahr eine große Veränderung in Genen, die mit dem Stickstoffstoffwechsel zusammenhängen, möglicherweise aufgrund des Mangels an Algen.

„Ich dachte, unter Hunderten von Bakterien würde ich ein oder zwei mit einer langfristigen Veränderung finden“, sagte Rohwer. „Aber stattdessen hatten 1 von 5 große Sequenzveränderungen, die sich über Jahre hinweg abspielten. Wir konnten nur bei einer Art tief graben, aber einige dieser anderen Arten hatten wahrscheinlich auch bedeutende Genveränderungen.“

Klimawissenschaftler sagen für den Mittleren Westen der USA in den kommenden Jahren mehr extreme Wetterereignisse voraus – ähnlich dem heißen, trockenen Sommer, den der Lake Mendota 2012 erlebte.

„Der Klimawandel verändert langsam die Jahreszeiten und Durchschnittstemperaturen, verursacht aber auch abruptere, extreme Wetterereignisse“, sagte Rohwer. „Wir wissen nicht genau, wie Mikroben auf den Klimawandel reagieren werden, aber unsere Studie legt nahe, dass sie sich sowohl an diese allmählichen als auch an plötzlichen Veränderungen anpassen werden.“

Supercomputing zur Entschlüsselung mikrobieller Geheimnisse

Im Gegensatz zu einem anderen berühmten Experiment zur bakteriellen Evolution an der University of Texas, dem Long-Term Evolution Experiment, untersuchten Rohwer und Bakers Studie die bakterielle Evolution unter komplexen und ständig wechselnden Bedingungen in der Natur. Die Forscher nutzten die Supercomputing-Ressourcen des Texas Advanced Computing Center (TACC), um bakterielle Genome aus kurzen DNA-Sequenzen in den Wasserproben zu rekonstruieren. Die gleiche Arbeit, die am TACC ein paar Monate dauerte, hätte mit einem Laptop 34 Jahre in Anspruch genommen, schätzte Rohwer – es waren über 30.000 Genome von etwa 2.800 verschiedenen Arten beteiligt.

„Stellen Sie sich vor, das Genom jeder Art ist ein Buch, und jedes kleine DNA-Fragment ist ein Satz“, sagte Rohwer. „Jede Probe enthält Hunderte von Büchern, alle zerschnitten in diese Sätze. Um jedes Buch wieder zusammenzusetzen, muss man herausfinden, aus welchem Buch jeder Satz stammt, und sie in die richtige Reihenfolge bringen.“

Zusammenarbeit und Unterstützung für die mikrobielle Forschung

Weitere Mitautoren der neuen Studie sind Mark Kirkpatrick von der University of Texas; Sarahi Garcia von der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg (Deutschland) und der Universität Stockholm; sowie Matthew Kellom vom Joint Genome Institute des U.S. Department of Energy.

Unterstützt wurde diese Forschung unter anderem von der U.S. National Science Foundation, den U.S. National Institutes of Health, dem Office of Science des U.S. Department of Energy, dem U.S. Department of Agriculture, der Simons Foundation und dem E. Michael and Winona Foster-WARF Wisconsin Idea Graduate Fellowship in Microbiology.

Originalpublikation
Robin R. Rohwer, Mark Kirkpatrick, Sarahi L. Garcia, Matthew Kellom, Katherine D. McMahon & Brett J. Baker
Zeitschrift: Nature Microbiology
Artikeltitel: Two decades of bacterial ecology and evolution in a freshwater lake
Erscheinungsdatum des Artikels: 03. Januar 2025
DOI: 10.1038/s41564-024-01888-3

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Marc Airhart
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Quelle: EurekAlert!