Diversität und Dynamik des autotrophen Picoplanktons

Forschungsprojekt P 14238Diversität und Dynamik des autotrophen PicoplanktonsThomas WEISSE 24.01.2000 Das sog. Autotrophe Picoplankton (APP) besteht aus eukaryontischen Kleinstalgen und einzelligen Cyanobakterien. Diese sind, in den meisten Fällen, wesentlichzahlreicher als die eukaryontischen Algen und tragen erheblich zur Primärproduktion und zu den Stoffwechselbeziehungen in der Freiwasserzone der natürlichen, nährstoffarmen Seen bei. Obwohl die Picoplankter potentiell weltweit verbreitet sind und sich demnach nur wenige geographische Unterschiede herausgebildet haben sollten, ergaben jüngste Untersuchungen, dass die Picocyanobakterien viel diverser sind, als vor kurzem angenommen worden wa. So wurden z.B. erhebliche artspezifische Unterschiede in dem Nährwert für verschiedene Arten der Einzeller (Protisten) bei mehreren Stämmen der Picocyanobakterien nachgewiesen, die aus demselben See isoliert worden waren. Die Populationsdynamik der einzelnen Arten bzw. Stämme der Picocyanobakterien wurde jedoch noch nicht in Seen untersucht. Die Allgemeingültigkeit und die ökologischen Auswirkungen der o.a. neueren Ergebnisse sind deshalb noch unklar. Wir wollen die genetische und ökologische Diversität des Autotrophen Picoplankton in den wenig bis mäßig nährstoffbelasteten Seen des Salzkammergutes mittels neuartiger Methoden untersuchen. Hierzu wollen wir die Durchflußcytometrie mit molekularen Techniken verbinden. Die Durchflußcytometrie ist eine leistungsstarke, Laser-gestützte Technologie, die die Eigenschaften einzelner Zellen in einer Suspension mit großer statistischer Genauigkeit mißt. Fortgeschrittene Cytometer wie die in dieser Untersuchung verwendeten können zudem einzelne Zellen aus der Suspension mit hoher Geschwindigkeit aussortieren. Die Nullhypothese unserer Untersuchung istm dass die sich die APP-Populationen in diesen Seen voneinander und von denen in anderen (Vor-)Alpenseen nicht wesentlich unterscheiden. Im einzelnen wollen wir die APP-Populationen in den Seen des Salzkammergutes mittels Durchflußcytometrie quantifizieren und klassifizieren klonale Kulturen der Picoplankter mittels Cytometrie-gestützter Zellsortierung anlegen die neuen Isolate molekulargenetisch auf der Artebene (Sequenzierung der rDNA der kleinen ribosomalen Untereinheit) und unterhalb der Artebene (petB/D Genloci und sog. Spacerregionen charakterisieren) die Wachstumsraten und Fraßverlustraten der Picocyanobakterien in situ mittels der Analyse ihres Zellzyklus und der sog. Diffusionskulturtechnik messen.

Dieses Projekt untersuchte die Verbreitung, Diversität und Populationsdynamik des autotrophen Picoplanktons in den Seen des Salzkammerguts (Österreich). Das autotrophe Picoplankton (APP) in Seen besteht vorwiegend aus winzig kleinen (<0.002 mm), frei schwebenden einzelligen Cyanobakterien. Diese Zellen erreichen Zellzahlen von bis zu 1 Milliarde pro Liter, sind photosynthetisch aktiv wie die Pflanzen und tragen daher erheblich zur Primärproduktion der Algen in ursprünglichen und wenig verschmutzten Seen bei. Es ist unmöglich, Arten und Stämme der Picocyanobakterien mit herkömmlichen mikroskopischen Methoden zu identifizieren. Wir verwendeten neuartige, technisch fortgeschrittene optische und molekulargenetische Methoden, um die genetische und ökologische Diversität der Picocyanobakterien in tiefen Voralpenseen zu charakterisieren. Wir isolierten, kultivierten und sequenzierten Teile des Genoms von mehr als 20 Stämmen der Picocyanobakterien aus dem Mondsee und den anderen Salzkammergutseen. Unsere Analysen zeigten, dass die Picocyanobakterien eine sehr diverse und dynamische Gruppe sind. Die Isolate konnten auf Grund ihrer genetischen Ähnlichkeit in sechs bis sieben Verwandtschaftsgruppen eingeordnet werden. Einige der neuen Stämme und Verwandtschaftsgruppen wurden ausschließlich in den Salzkammergutseen gefunden, andere waren bisher aus sehr unterschiedlichen Biotopen wie flachen japanischen Seen bekannt. Es ist weitere Forschung notwendig um die Frage zu beantworten, ob alle Picocyanobakterien weltweit verbreitet sind oder ob sich einige Arten durch eingeschränkte geografische Verbreitungen auszeichnen. Wir fanden deutliche Unterschiede in den Wachstums- und Fraßverlustraten genetisch sehr nahe verwandter Stämme innerhalb der neuen Isolate, d. h. es gab keine enge Entsprechung zwischen der genetischen Identität und dem ökophysiologischen Verhalten der Isolate. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Untersuchung, dass die Biodiversität der aquatischen Mikroorganismen wesentlich größer ist als bis vor kurzem vermutet worden war. Dieser Befund sollte bei einer verbesserten künftigen Überwachung der Süßwasserqualität berücksichtigt werden.