Das Mikrobiom, also die Gemeinschaft der Bakterien, die in und auf einem vielzelligen Organismus leben, spielt eine entscheidende Rolle für die Fitness und Gesundheit vieler Meerestiere. Die Ohrenqualle besitzt ein besonders vielseitiges Mikrobiom, das sich an unterschiedliche Umweltbedingungen anpassen kann und den Übergang zwischen verschiedenen Lebensstadien beeinflusst. Der mehrstufige Lebenszyklus der Ohrenqualle beginnt mit winzigen Larven, die sich auf festem Untergrund ansiedeln und zu festsitzenden Polypen heranwachsen. In der so genannten Strobilation entstehen aus dem Polypen schwimmende Vorstufen von Quallen (Ephyren), die sich zu frei schwimmenden ausgewachsenen Medusen, entwickeln – ein komplexer asexueller Reproduktionsprozess. Die Forschenden konnten zeigen, dass dieser Entwicklungsprozess entscheidend vom Mikrobiom beeinflusst wird. „Unsere Ergebnisse belegen, dass nicht nur Umweltfaktoren wie Temperatur oder Salzgehalt eine Rolle spielen, sondern dass das natürliche Mikrobiom der Qualle wesentlich für ihre Fortpflanzung ist. Der Einfluss der Mikroben ist besonders wichtig, bevor die Strobilation einsetzt“, sagt Erstautorin Dr. Nadin Jensen, die zu diesem Thema in der Arbeitsgruppe von Professorin Ruth Schmitz-Streit am Institut für Allgemeine Mikrobiologie der CAU promoviert hat.
Die Strobilation, die Umwandlung vom Polypen zu frei schwimmenden Quallen, ist ein komplexer Prozess: Bakterien im Polypen produzieren zunächst Beta-Carotin, ein Provitamin. Dieses wird im Körper der Qualle in mehrere Produkte umgewandelt – darunter Retinsäure (9-cis-Retinsäure). Sie wirkt als biologisches Signal, das zentrale Gene für die Strobilation aktiviert und so die Metamorphose einleitet. „Ohne das natürliche Mikrobiom entwickeln die Polypen auffällige Fehlbildungen. Sie segmentieren sich nur unvollständig und setzen kaum Ephyren frei,“ erklärt Professorin Ruth Schmitz-Streit, Leiterin der CAU-Arbeitsgruppe Molekularbiologie der Mikroorganismen am Institut für Allgemeine Mikrobiologie (IfAM).
In Laborexperimenten zeigten sterile Polypen, denen das natürliche Mikrobiom fehlte, deutliche Entwicklungsstörungen wie verkürzte Körper, deformierte Segmente, fehlende Tentakeln und eine geringe Freisetzung von Ephyren. Gaben die Forschenden jedoch Beta-Carotin oder 9-cis-Retinsäure in das Umgebungswasser hinzu, konnten die Defekte der Polypen vollständig behoben werden. Umgekehrt konnten die Forschenden den Retinsäure-Signalweg durch bestimmte Hemmstoffe gezielt blockieren und so die Metamorphose verhindern. Auch bei gesunden Polypen mit natürlichem Mikrobiom wurde dadurch die Metamorphose gestört. Die Forschenden, die die aktiven bakteriellen Gene ausschließlich im natürlichen Mikrobiom und nicht im Wirt nachwiesen, konnten damit zeigen, dass das natürliche Mikrobiom den Prozess steuert, die Qualle selbst kann kein Beta-Carotin produzieren.
„Unsere Experimente bestätigen, dass der Retinsäure-Signalweg entscheidend für die Strobilation der Qualle ist. Ohne ihn bleibt der Polyp in einem frühen Entwicklungsstadium stecken,“ sagt Dr. Nadin Jensen. „Allerdings stehen wir mit unseren Untersuchungen noch am Anfang unserer Forschung. Wir konnten bisher noch nicht die genaue Konzentration des Beta-Carotins bestimmen und haben uns zunächst auf vier Schlüsselgene konzentriert.“
Die neue Studie zeigt, wie eng die Entwicklung eines marinen Organismus mit seinen bakteriellen Partnern verknüpft ist. Fehlt das natürliche Mikrobiom, können zentrale Entwicklungsprozesse nicht vollständig ablaufen. Die neuen Erkenntnisse helfen dabei nicht nur, das Wachstum von Quallen besser zu verstehen, sondern liefern auch Einblicke in die Anpassungsfähigkeit von Meereslebewesen. Die Erkenntnisse können darüber hinaus helfen, Phänomene wie Quallenblüten in den Weltmeeren besser zu erklären. „Quallen sind ein wichtiger Bestandteil mariner Ökosysteme und haben eine bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit an veränderte Umweltbedingungen. Ein besseres Verständnis ihrer Fortpflanzung könnte dazu beitragen, ihre Verbreitung in den Ozeanen besser zu verstehen und zukünftig vielleicht. auch entgegenzusteuern,“ resümiert Mikrobiologin Schmitz-Streit.
Die Forschungsergebnisse sind im DFG geförderten Sonderforschungsbereiches (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ entstanden.
wissenschaftliche Ansprechpartner: Prof. Dr. Ruth Schmitz-Streit Institut für Allgemeine Mikrobiologie Arbeitsgruppe Molekularbiologie der Mikroorganismen Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) E-Mail:
