Thiotropher Mutualismus - Kooperation empirisch

Laut Evolutionstheorie sind Kooperationen von zwei Partnern durch Pre- und Postinfektionsprozesse geprägt. Zu diesen Prozessen zählen "Partnerwahl", "Partnersanktionen", "Partnertreue durch Feedback" und "Nutzen durch Nebenprodukte". Transmission, die Übertragung des Symbionten von einer auf die nächste Wirtsgeneration, spielt eine Schlüsselrolle in der Evolution von Mutualismus. Transmission kann einerseits mittels Aufnahme von freilebenden Symbionten aus der Umgebung (horizontal), andererseits durch direkte Weitergabe seitens der Mutter (vertikal) vollzogen werden. In einem mathematischen Model, welches die Parameter "Postinfektionsprozesse", "Nebenprodukte", die "Kosten von vertikaler Transmission" und die "Verfügbarkeit des freilebenden Symbionten" inkludiert, werden theoretische Voraussagen getroffen, ob ein System horizontal bleibt oder sich vertikal entwickelt. Praktisch, anhand von empirischen Daten wurde dieses Model bis heute nicht überprüft. In diesem Forschungsprojekt soll die mutualistische Beziehung zwischen dem marinen, kolonialen Ziliaten Zoothamnium niveum und seinem schwefeloxidierenden bakteriellen Symbionten Candidatus Thiobios zoothamnicoli als thiotrophes Modelsystem etabliert werden, um evolutionäre Konzepte zu testen. Im Gegensatz zu den meisten anderen thiotrophen Assoziationen kann diese Symbiose unter kontrollierten Bedingungen gezüchtet werden. Dabei wächst der Wirt sehr schnell und asexuelle Fortpflanzung erfolgt innerhalb weniger Tage. Zwei empirische Schwerpunkte sollen untersucht werden: 1) Die Populationsgenetik und Demographie des Symbionten mit Hilfe von multilocus sequence typing mehrerer protein-enkodierender Gene mit universellen Primern oder durch Einzelzellen Genomik und 2) die Nahrungsbeziehung zwischen Wirt und Symbiont und freilebenden Mikroben anhand von pulse - chase Experimenten und Gewebsautoradiographie sowie nano-scale sekundäre Massenspektometrie. Das Wachstum des Wirts wird durch Markierung während der DNA Synthese und Immunozyotchemie gemessen. Die Produktion von asexuellen Schwärmern dient zur Messung von Reproduktion. Rasterelektronenmikroskopie dient zur Messung der sich teilenden Symbionten als Maß für die Fitness des Symbionten. Diese Studien ermöglichen uns Einsicht in die Heterogenität des Symbionten zu gewinnen, in die Populationsgröße und Demographie des Symbionten, sowie in das autotrophe Potential des Symbionten und die Ernährung des Wirts. Darüber hinaus werden Experimente zu "Partnersanktionen" und "Partnertreue durch Feedback" durchgeführt, die "Kosten während der vertikalen Transmission" evaluiert und die "Verfügbarkeit des freilebenden Symbionten" für die Transmission überprüft. Diese empirischen Informationen fließen dann in die Erstellung eines übergreifenden Konzepts zur Evolution von Kooperation ein.

Niemand lebt alleine. Unzählige Mikroben tummeln sich auf den Wurzeln der Pflanzen und im Darm von Tieren und Menschen. Zum Großteil sind diese Mikroben von Vorteil für den Wirt und nur hin und wieder versuchen sich Pathogene einzunisten und das Gleichgewicht zu stören. Auch wenn gutartige Mikroben durch Änderungen im Erbgut von Helfern zu Betrügern mutieren stellt dies eine Bedrohung für das weitere Zusammenleben dar. Die evolutionäre Spieltheorie entwickelt theoretische Konzepte zur Evolution von Mutualismus. Einige dieser Konzepte wurden in dem Projekt Thiotropher Mutualismus Kooperation empirisch in einer Assoziation zwischen einem kolonialen Ziliaten, dem Wirt und seinem bakteriellen Symbionten empirisch untersucht. Diese leben in Meer auf Holz, so wie gesunkenen Booten und Hafenanlagen in der Nordadria. Als erster Schritt wurde das Genom des Symbionten entschlüsselt. Aufsammlungen in der Karibik von Guadeloupe, Belize, und Kuba, sowie dem Atlantik von Madeira und der Nordadria von Slowenien dienten einem genomischen Vergleich der Populationen. In Experimenten in Piran, Slowenien an der Nordadria konnte gezeigt werden, dass die Bakterien Kohlenstoff fixieren, so wie Algen im Meer und Pflanzen an Land, aber nicht mit Hilfe von Sonnenlicht, sondern durch die Oxidation von Schwefelwasserstoff, der aus dem Holz kommt und Sauerstoff aus dem Meerwasser. Ein Teil des produzierten organischen Materials wird an den Wirt als Nahrungsquelle abgeben. Diese Abgabe passiert automatisch weil die Außenhülle des Symbionten durchlässig ist. Diese Form von Unterstützung nennt man Nebenprodukt ein wichtiger Mechanismus im Zusammenhalt von mutualistischen Partnern. Der Wirt lebt aber nicht nur von dieser Nahrung alleine, er frißt auch einige seiner Symbionten um die Population im Zaum zu halten und andere Mikroben aus dem umgebenden Meerwasser. Dies konnte im Projekt mit Hilfe von markiertem anorganischem Kohlenstoff und der neuen Technik Nano Sekundärerionen-Massenspektrometer und Autoradiographie gezeigt werden. In weiteren Experimenten wurde die Konzentration der Freiwassermikroben manipuliert. Damit konnte die Wachstumsrate des Wirts gesteuert werden. Erstaunlich dabei war, dass sich auch die Symbionten, die sich ja unabhängig von den Freiwassermikroben vermehren, dem Wachstum des Wirts angepasst haben. Dieser Mechanismus der Koppelung von Wachstum und Vermehrung ist ungemein wichtig in mutualistischen Beziehungen. Darüberhinaus, konnte der Wirt auch ohne seinen Symbionten gezüchtet werden. In der Spieltheorie ist dieses Phänomen als Einzelgänger Strategie bekannt. Überraschend war dabei war, daß sich das Aussehen des Wirts stark verändert hat. Diese morphologische Plastizität, genannt Polyphenismus, war bislang innerhalb der thiotrophen Symbiosen unbekannt, ist aber weit verbreitet in Räuber-Beute Beziehungen. Das Projekt war somit äußerst erfolgreich im Testen von theoretischen Konzepten der evolutionären Spieltheorie und empirischen Experimenten in einem vielversprechenden Modelorganismus und seinen symbiontischen Bakterien.