Die Anpassungsfähigkeit von Süsswasserbakterien mit einem kleinen Genom stagniert über längere Phasen. Diese überraschende evolutionäre Strategie entdeckten Forscher der Universität Zürich anhand der Genomanalyse von Proben aus dem Zürichsee und anderen europäischen Seen. Um die Ökosystemleistungen von Seen zu bewahren, ist ein besseres Verständnis der Evolutionsdynamik mikrobieller Gemeinschaften in Seen zentral.
Die Süsswasserressourcen sind begrenzt: Sie machen nur 3,5 Prozent des Wassers auf der Erde aus, wobei nur 0,25 Prozent an der Oberfläche zugänglich sind. Dennoch sind Süsswasserseen aufgrund ihrer hohen biologischen Produktivität und mikrobiellen Aktivität wesentlich, damit Ökosysteme und der globale Kohlenstoffkreislauf funktionieren. Seen sind für die Menschen überlebenswichtig, da sie Trinkwasser liefern sowie Landwirtschaft, Fischerei und Freizeitgestaltung unterstützen. Der Klimawandel – insbesondere steigende Temperaturen – bedroht jedoch diese Lebensräume. Die rasanten Veränderungen stören die mikrobiellen Gemeinschaften, die für den Nährstoffkreislauf und die Aufrechterhaltung der Wasserqualität unerlässlich sind.
Etablierte evolutionäre Paradigmen in Frage gestellt
«Für die Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen und die nachhaltige Bewirtschaftung von Ressourcen ist es entscheidend, wie sich die Bakterienarten in Süsswasserseen an sich verändernde Umweltbedingungen anpassen», sagt Adrian-Stefan Andrei. Er ist Leiter des Labors für Mikrobielle Evogenomik am Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie der Universität Zürich (UZH). Mit seiner Forschungsgruppe analysierte er Proben, die zwischen 2015 und 2019 aus fünf europäischen Süsswasserseen gesammelt wurden: dem Zürichsee, dem Thunersee und dem Bodensee in der Schweiz sowie dem Římov-Stausee und dem Jiřická-See in der Tschechischen Republik.
Die Anpassung an ökologische Nischen ist der wichtigste evolutionäre Mechanismus, der die Diversifizierung von Populationen und die Entstehung neuer Arten vorantreibt. «Unsere Ergebnisse zeigen überraschenderweise, dass Süsswasserbakterien, die über ein kleines Genom verfügen, oft längere Phasen des adaptiven Stillstands durchlaufen», sagt Andrei. Diese Stockung widerspricht der allgemeinen Erwartung, dass sich die Mikroorganismen an veränderte Umweltbedingungen anpassen. «Unsere Studie unterstreicht, wie wichtig es ist, die Grenzen der bakteriellen Anpassungsfähigkeit zu kennen», ergänzt der Wissenschafter. «Denn diese mikrobiellen Gemeinschaften erfüllen lebenswichtigen ökologischen Funktionen in Süsswassersystemen.»
Sekretierte Proteine als Indikatoren für evolutionäre Anpassung
Bakterien passen sich vor allem über jene Proteine, die aus der Zelle abgesondert oder an die Zellmembran gebunden werden, an ihre Umwelt an. Diese Eiweisse spielen eine entscheidende Rolle bei der Nährstoffaufnahme, der interbakteriellen Kommunikation sowie beim Erkennen von Umweltreizen und der Reaktion darauf. Wie gut sich Bakterien anpassen können, hängt in der Regel von der Vielfalt der Gene ab, die die Baupläne für diese Proteine tragen. Doch wie die Resultate zeigen, ist bei Süsswasserbakterien mit geringer Genomgrösse die Variation in diesen Genen überraschend gering – was auf eine Phase stagnierender Anpassung hindeutet. «Für diese Mikroorganismen könnte es daher schwierig sein, sich an rasch ändernde Umweltbedingungen anzupassen», so Andrei.
Begrenzte Fähigkeit zur Anpassung an Umweltveränderungen
Die Forschenden vermuten, dass diese Bakterien einen Fitness-Höhepunkt mit idealen Proteinstrukturen und Aktivitätsniveaus erreicht haben. Ihre Proteine haben im Laufe der Evolution bereits einen optimalen Zustand erreicht. Weitere grössere Veränderungen sind weder vorteilhaft noch notwendig, damit die Mikroorganismen in ihren ökologischen Nischen überleben. Damit wird allerdings auch die Fähigkeit eingeschränkt, neue genetische Variationen zu erproben und sich erfolgreich an dynamische Umweltbedingungen anzupassen. «Wir müssen uns mit den zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels auseinandersetzen. Sie sind eine erhebliche Bedrohung für die Süsswasserlebensräume, die besonders anfällig für anthropogene Veränderungen sind», sagt Adrian-Stefan Andrei.