Partnerschaft mit klarer Mission: Stickstoff-Fixierung

Symbiosen zwischen Mikroorganismen sind nichts Neues – Forscher entdeckten nun jedoch eine einzigartige Partnerschaft zwischen einem Cyanobakterium und winzigen einzelligen Algen. Die marinen Bakterien sind in der Lage Stickstoff zu fixieren und tauschen diesen gegen Kohlenstoff ein. Diese Symbiose ist für die ozeanische Stickstoffversorgung entscheidend.

Stickstoff ist für alle Lebewesen essentiell, z.B. als Bestandteil von Aminosäuren. In der Erdatmosphäre befindet sich Stickstoff fast ausschließlich in seiner elementaren Form – als N2. Jedoch nur wenige Archaeen und spezielle Bakterien, darunter Cyanobakterien, können diesen N2-Stickstoff direkt nutzen. Derzeit sind keine N2-fixierenden Eukaryoten bekannt.

Cyanobakterien zählen zu den Prokaryoten, d.h. sie besitzen keinen Zellkern und sind anders als andere Bakterien zur oxygenen Photosynthese fähig. Sie können zudem atmosphärischen Stickstoff fixieren und ihn in Form von Ammonium (NH4 ) ins Ökosystem abgeben. Durch diese Stickstoff-Fixierung können auch andere Organismen diesen essentiellen Nährstoff aufnehmen und verarbeiten. In terrestrischen Ökosystemen sind N2-fixierende Symbiosen zwischen Bakterien oder Cyanobakterien und vielzelligen Pflanzen gewöhnlich.

Ein internationales Forscherteam, darunter auch Wissenschaftler aus Deutschland, entdeckten nun eine ungewöhnliche Symbiose in einer marinen Umgebung: Eine symbiotische Beziehung zwischen dem einzelligen Cyanobakterium mit dem vorläufigen Namen UCYN-A (engl.: unicellular N2-fixing cyanobacteria in „group A“) und Kalkalgen (auch als Haptophyta oder Prymnesiophyta bezeichnet).

Das kleine Genom von UCYN-A gibt den Ausschlag

Entdeckt wurde die Symbiose zwischen den Mikroorganismen, als die Forscher sich mit dem stark verkleinerten Genom der Bakterien beschäftigten. Sie wussten, dass UCYN-A spezielle Gene fehlten und vermuteten, dass dies durch eine Symbiose kompensiert wird. Den Cyanobakterien fehlt neben Photosynthese-Genen, auch Gene für den Kohlenstoffstoffwechsel (Vgl. Tripp, H.J. et al. 2010).

Meerwasserproben lüfteten das Geheimnis

Um zu testen ob und wenn ja mit welchen Partnern das hochspezialisierte Cyanobakterium UCYN-A eine Symbiose eingeht, untersuchten die Forscher Meerwasserproben aus dem Nordpazifik. Die Wasserproben wurden mithilfe von Zellsortierung und DNA-Sequenzierung analysiert. Die Hypothese der Forscher bestätigte sich: Sie identifizierten winzigen Algen, Kalkalgen mit einem Durchmesser von 1-3 Mikrometer, als Wirtsorganismus. Kalkalgen sind einzellige eukaryotische Algen und schweben als Plankton im Wasser.

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„Untersuchungen zu planktonischen Symbiosen gibt es nur wenige, weil diese schwierig zu untersuchen sind. Sie sind sehr zerbrechlich. In unserer Studie gelang es uns, die Strukturen zu bewahren. So konnten wir zum ersten Mal eine wechselseitige Partnerschaft im Plankton nachweisen“, sagt Rachel Foster vom Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie, eine der Erstautorinnen der Studie. Da Wirt und Bakterium miteinander verbunden blieben, konnten die Forscher durch Massenspektrometrie einen Nährstoffaustausch zwischen den beiden nachweisen.

Gibst du mir, so geb ich dir

Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Beziehung zwischen Bakterium und Alge mutualistisch ist, d.h. beide Partner von der Verbindung profitieren. Die Kalkalge erhält gebundenen Stickstoff im Austausch für die Übertragung von gebundenem Kohlenstoff. So wird das Fehlen einiger Gene im UCYN-A-Genom ausgeglichen und die Alge wird mit lebensnotwenigem Stickstoff versorgt, den sie nicht selbst aus der Atmosphäre aufnehmen kann.

Bisher ist noch unklar, ob das UCYN-A auf der Zellwand der Kalkalgen oder endosymbiontisch lebt, d.h. in die Alge eindringt. Die Forscher vermuten jedoch, dass die Cyanobakterien lose auf der Zelloberfläche der Algen haften. Zudem schlagen sie als neuen Namen für UCYN-A Candidatus Atelocyanobacterium thalassa vor.

Da sowohl die Kalkalgen, als auch UCYN-A weit verbreitet sind, vermuten die Forscher, dass die Symbiose wichtige Implikationen für die ozeanische N2-Fixierung hat. Wie bedeutend die Symbiose für globale Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufen ist, muss durch weitere Forschung geklärt werden.