Organisms associated with siphonophores revealed by short-read whole-genome sequencing

Der offene Ozean ist eine riesige, dreidimensionale Welt, in der das Leben oft direkt vor unseren Augen verborgen liegt. Unter seinen erfolgreichsten Bewohnern sind die Siphonophoren, koloniale Tiere, die wie lebende Perlenketten durch das Wasser treiben. Obwohl sie wie einzelne Kreaturen aussehen, sind sie tatsächlich riesige Gemeinschaften spezialisierter Individuen, die zusammenarbeiten wie ein einzusiges Wesen. Diese gallertartigen Räuber sind furchteinflößende Jäger, die lange, nesselnde Tentakel nutzen, um Fische und Krebstiere zu fangen. Doch die Geschichte einer Siphonophore endet nicht mit dem, was sie frisst. Ihr Körper ist auch ein wanderndes Ökosystem, das eine Vielzahl anderer Organismen beherbergt, die auf ihrer Oberfläche oder in ihrem Gewebe leben. Diese Begleiter, die von mikroskopisch kleinen Bakterien bis hin zu winzigen Parasiten reichen, sind schwer direkt zu untersuchen, da sie oft zu klein zum Sehen oder zu zerbrechlich, um gefangen zu werden, ohne den Wirt zu zerstören. Lange Zeit wussten Wissenschaftler, dass diese Gefährten existierten, hatten aber kaum eine Vorstellung davon, wer sie waren oder wie sehr sie sich zwischen verschiedenen Arten und Meeresregionen unterschieden.

Ein Team von Forschern der Yale University und der Universität Danzig fand einen cleveren Weg, diese verborgenen Nachbarn zu betrachten, ohne sie separat einfangen zu müssen. Sie wandten ihre Aufmerksamkeit der riesigen Menge an genetischen Daten zu, die bereits für einen anderen Zweck gesammelt worden waren: die Sequenzierung der Genome der Siphonophoren selbst. Wenn Wissenschaftler die DNA eines Tieres sequenzieren, liest die Maschine jedes Stück genetischen Materials vor, das in der Probe vorhanden ist. Das bedeutet, dass die Maschine neben der DNA des Wirts auch die DNA von Bakterien, Viren, Parasiten oder sogar die Überreste einer kürzlich stattgefundenen Mahlzeit erfasst. Die Forscher bezeichneten diese zufälligen Informationen als „molekularen Beifang“. Durch die erneute Untersuchung der Rohdaten von 213 Siphonophoren-Exemplaren, die aus verschiedenen Teilen der Welt gesammelt wurden, konnten sie den genetischen Code des Wirts durchsieben, um die vielen anderen Leben zu identifizieren, die in ihm leben.

Die Forscher begannen damit, die Daten zu bereinigen, indem sie die überwältigende Menge an DNA entfernten, die den Siphonophoren selbst gehörte. Was übrig blieb, war ein Schatzkästchen an genetischen Signaturen anderer Organismen. Sie fanden heraus, dass die Bakteriengemeinschaften, die auf diesen Tieren leben, überraschend vielfältig sind. Zu den häufigsten gehörten Gruppen von Bakterien, die als Metamycoplasmataceae bekannt sind – winzige, wandlose Mikroben, die auch auf anderen Meerestieren wie Octocorallen und Seesternen vorkommen. Die Studie zeigte, dass diese Bakterien keine zufälligen Passagiere sind; ihre Anwesenheit hängt davon ab, wo die Siphonophore lebt. So waren beispielsweise bestimmte Typen dieser Bakterien bei Exemplaren aus dem südwestlichen Pazifik und dem Indischen Ozean verbreitet, aber selten bei denen aus dem zentralen Pazifik. Dies deutet darauf hin, dass die Geografie eine bedeutende Rolle bei der Gestaltung der mikrobiellen Welt dieser treibenden Kolonien spielt.

Über die Bakterien hinaus lieferte der genetische Beifang ein klares Bild davon, was die Siphonophoren gefressen hatten. In Exemplaren der Gattung Physalia, zu der auch die bekannte Portugiesische Man-o'-War gehört, fanden die Forscher DNA von Fischen, Copepoden und anderen kleinen Krebsen. Ein besonders interessanter Fund ergab sich bei einem Exemplar, das in hawaiianischen Gewässern gesammelt wurde. Das genetische Material darin stimmte mit dem Alfons – einem Tiefseefisch, der als ausgewachsenes Tier normalerweise in der Nähe des Meeresbodens lebt – überein. Da die Siphonophore in der Nähe der Oberfläche lebt, deutet die Anwesenheit der DNA dieses Fisches wahrscheinlich darauf hin, dass der Räuber die Jungtiere des Fisches gefangen hatte, die in den oberen Ozean driften, bevor sie in die Tiefe absinken. Diese Methode lieferte eine direkte, molekulare Bestätigung der Nahrung der Siphonophore und enthüllte Beutetiere, die in traditionellen Mageninhaltsstudien andernfalls unbemerkt geblieben wären.

Die Daten enthüllten auch eine verborgene Welt der Parasiten. Die Forscher identifizierten genetische Signaturen von Plattwürmern, einschließlich sowohl Saugwürmern als auch Bandwürmern, die im Inneren oder auf den Siphonophoren leben. Diese Parasiten sind Teil komplexer Lebenszyklen, die oft Fische involvieren. Beispielsweise verknüpfte die Studie Larven, die in den Siphonophoren gefunden wurden, mit erwachsenen Parasiten, die in Mahi-Mahi und Makrelen leben. Diese Verbindung legt nahe, dass ein Fisch, der eine Siphonophore frisst, gleichzeitig das nächste Stadium des Parasiten verschluckt. Die Studie fand auch Hinweise auf Amöben und deren eigene interne bakterielle Partner, was auf eine verschachtelte Hierarchie des Lebens hindeutet, in der ein Organismus in einem anderen lebt, welcher wiederum in der Siphonophore lebt.

Nicht jedes Exemplar lieferte eine reichhaltige Informationsausbeute. Die Forscher stellten fest, dass die Art des entnommenen Gewebes und die Art der Konservierung des Tieres beeinflussen können, was gefunden wurde. Exemplare, die vom Strand gesammelt und in Alkohol konserviert wurden, zeigten manchmal Anzeichen von Bakterien, die möglicherweise erst nach dem Tod des Tieres gewachsen waren, anstatt mit ihm während seines Lebens gelebt zu haben. Trotz dieser Einschränkungen demonstrierte die Studie, dass die für einen Zweck gesammelten genetischen Daten eine überraschende Menge an Naturgeschichte offenbaren können. Durch den Blick auf den molekularen Beifang können Wissenschaftler nun das vielfältige Ensemble der Charaktere sehen, die das Leben einer Siphonophore teilen – von den Mikroben auf ihrer Haut bis hin zu den Parasiten, die darauf warten, an einen Fisch weitergegeben zu werden. Dieser Ansatz macht aus einem einzelnen Genomprojekt ein Fenster auf das gesamte Ökosystem, das diese treibenden Räuber umgibt, und bietet einen neuen Weg, das komplexe Netz des Lebens im offenen Ozean zu verstehen.