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Überlebenskünstler im Polarmeer Variation als Überlebensstrategie – genetische Reaktion auf Sommer und Winter

| Autor / Redakteur: Sabine Heine* / Dr. Ilka Ottleben

Wie Kieselalgen den extremen Bedingungen der Antarktis trotzen, war bislang völlig unbekannt. Forscher fanden nun heraus, dass sie im Winter eine andere Genvariante aktivieren als im Sommer.

Wie Kieselalgen den extremen Bedingungen der Antarktis trotzen, war bislang völlig unbekannt.
Wie Kieselalgen den extremen Bedingungen der Antarktis trotzen, war bislang völlig unbekannt.
(Bild: gemeinfrei)

Bonn – Eine vergleichende Genomanalyse des 60 Millionen Basen umfassenden Genoms der Kieselalge Fragillariopsis cylindrus liefert Anhaltspunkte, wie die Anpassung dieser Algen an extreme Umweltbedingungen ermöglicht wird und inwieweit der Klimawandel sich auf diese evolutionäre Anpassung auswirken könnte.

Ein internationales Team von Wissenschaftlern, darunter Forscher des U.S. Department of Energy Joint Genome Institute (DOE JGI), des Zoologischen Forschungsmuseum Alexander Koenig – Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere in Bonn, der Universiät Essen-Duisburg, der Universität zu Köln sowie des Alfred-Wegener-Instituts – Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung fand unter der Koordination von Thomas Mock, Professor of Marine Microbiology, School of Environmental Sciences an der Universitiy of East Anglia in England, zwei Varianten für viele Gene im Genom der in der Antarktis vorkommenden Alge F. cylindrus. Je nach Umweltbedingungen (Polarwinter oder Polarsommer) exprimiert (aktiviert) diese Alge die eine oder andere Genvariante. Als Vergleichsorganismen dienten die Genome der Kieselalgen Thalassiosira pseudonana und Phaeodactylum tricornuteum mit je etwa 30 Millionen Basenpaaren. Diese beiden Arten kommen in Meeren gemäßigter Breiten vor. Weltweit bindet das Phytoplankton der Meere, darunter auch Kieselalgen, mehr als ein Drittel des Kohlenstoffs der Ozeane. Damit spielen diese Organismen eine große Rolle in der Kohlendioxidbilanz der Erde.

Dem extremen und variablen Lebensraum der Polarmeere trotzen

Im Polarwinter wird die Kieselalge F. cylindrus im polaren Eis eingeschlossen. Sie muss mit hohen Salzkonzentrationen, stark variierenden Eisen- und Kohlendioxidkonzentrationen, extrem niedrigen Temperaturen und zeitweise fast ohne Licht auskommen und vermehrt sich sogar unter diesen extremen Bedingungen noch, wenn auch in relativ geringem Umfang. Im Polarsommer, wenn das Winterpolareis verschwindet, werden die Algen aus dem Eis freigesetzt und vermehren sich unter dem Einfluss des Sonnenlichts stark. Sie dienen dem Krill als Nahrungsgrundlage. Die Alge bildet somit eine wichtige Grundlage für das Nahrungsangebot im Südpolarmeer.

Kieselalgen der Polarmeere trotzen dem extremen und variablen Lebensraum. Wie sie das schaffen, war bisher völlig unbekannt. „Unsere Daten geben einen ersten Einblick, wie diese Organismen als Basis eines der größten und einzigartigen Ökosysteme evolvierten“ erläutert Thomas Mock.

Allelische Divergenz erlaubt Reaktion auf Umwelteinflüsse

„Unsere Analysen haben gezeigt, dass nahezu ein Viertel des F. cylindrus Genoms hoch divergente Allele aufweist. Dies sind Varianten der gleichen Gene die durch die Akkumulation von Mutationen stark divergieren. Die gleichen Gene hat man als einzelne Allele auch in anderen Kieselalgenarten gefunden“ stellt Christoph Mayer vom ZFMK in Bonn dar. Und Igor Grigoriev, Leiter des Fungal Genomics Program am DOE Joint Genome Institute, ergänzt: „Es ist bemerkenswert, dass sich verschiedene Allele derselben Gene auseinander entwickeln haben, um es der Kieselalge zu erlauben auf verschiedene Umwelteinflüsse zu reagieren. Diese allelische Divergenz muss vor ca. 110.000 Jahren entstanden sein, was zeitlich mit dem Beginn der letzten Eiszeit zusammenfällt.“

„Die neue Erkenntnis, dass F. cylindrus Population eine hohe Variation ihres Erbguts aufweisen und diese über die Zeit erhalten, um in der Lage zu sein, sich den harten Umweltbedingungen anpassen zu können, hat weitreichende Auswirkungen für unser Verständnis dafür, wie natürliche Populationen auf sich ändernde Umweltbedingungen reagieren“ meint Jeremy Schmutz, Leiter des DOE JGI’s plant programs und ebenfalls Co-Autor der Studie. „Auf dem Level des Individuums die Möglichkeit zu haben, die Expression eines Haplotypen unter sich ändernden Umweltbedingungen von einer Kopie auf eine andere umzustellen, zeigt die vorhandene Komplexität der Überlebensmechanismen in der Natur. Im Falle von F. cylindrus scheint die hohe Variation zwischen den zwei Haplotypen wichtig für das Überleben und die Anpassungsfähigkeit der Art an die Umwelt zu sein. Dies wird sehr wahrscheinlich die genomischen Techniken und Analysen ändern, die zur Erforschung von eukaryotischen Arten der Lebensgemeinschaften in Ozeanen angewendet werden.“

Originalpublikation: Thomas Mock, Robert P. Otillar, Jan Strauss, Mark McMullan, Pirita Paajanen, Jeremy Schmutz, Asaf Salamov, Remo Sanges, Andrew Toseland, Ben J. Ward, Andrew E. Allen, Christopher L. Dupont, Stephan Frickenhaus, Florian Maumus, Alaguraj Veluchamy, Taoyang Wu, Kerrie W. Barry, Angela Falciatore, Maria I. Ferrante, Antonio E. Fortunato, Gernot Glöckner, Ansgar Gruber, Rachel Hipkin, Michael G. Janech, Peter G. Kroth et al.: Evolutionary genomics of the cold-adapted diatom Fragilariopsis cylindrus, Nature 1–5 (2017) doi:10.1038/nature20803

* S. Heine: Zoologisches Forschungsmuseum Alexander Koenig – Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere, 53113 Bonn

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