DNA-Analysen werfen neues Licht auf das Mikrobiom in den Kiemen von Korallenrifffischen

Ein interdisziplinäres Forschungsteam des Leibniz-Zentrums für Marine Tropenforschung (ZMT) und des Instituts für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg hat im Rahmen einer metagenomischen Analyse bislang unbeschriebene Mikroorganismen in den Kiemen von Korallenfischen identifiziert. Besonders dominant zeigte sich eine neuartige Gruppe von Proteobakterien mit chemosynthetischem Potenzial, welche Energie aus der Oxidation anorganischer Verbindungen gewinnen und zur Fixierung von Kohlendioxid in Biomasse nutzen können. Während chemosynthetische Symbionten bei marinen Invertebraten wie Anneliden oder Mollusken sowie aus pelagischen Benthos-Habitaten etabliert sind, stellt ihr Nachweis im Kiemengewebe von Teleostei eine Erstentdeckung dar. Die Ergebnisse belegen ein hochspezialisiertes Kiemenmikrobiom mit signifikanter Relevanz für den metabolischen Wirts-Chassis, die Immunpathologie und die physiologische Homöostase.

Sekundäranalyse bestehender Sequenzierungsdaten

Die experimentelle Grundlage bildet die Re-Evaluation von Metagenom-Datensätzen aus vorangegangenen Genomstudien an tropischen Hamletbarschen (Hypoplectrus spp.) aus dem karibischen Raum. Für diese Studien wurde die GesamtdNA aus Hunderte von Kiemengewebeproben extrahiert und einer Ganzgenom-Sequenzierung unterzogen. Der resultierende Datensatz umfasste neben dem Wirtsgenom zeitgleich das gesamte Mikrobiom des Kiemengewebes.

Ursprünglich war die bioinformatische Pipeline darauf ausgerichtet, mikrobielle Reads als Kontamination zu filtern und ausschließlich die marinen Wirtssequenzen zur Rekonstruktion von Speziation und Evolution zu nutzen. Das Team erweiterte den analytischen Fokus jedoch auf das Ko-Genom. „Früher haben wir uns bei unserer Arbeit ausschließlich auf die Fisch-DNA konzentriert und mikrobielle DNA als Verunreinigung betrachtet“, erinnert sich Professor Oscar Puebla. „Eines Tages dachten wir uns: Warum betrachten wir die Sache nicht einmal aus der umgekehrten Perspektive, untersuchen das Mikrobiom der Kiemen und lassen die Fisch-DNA außer Acht?“

Dieser geänderte Analyseansatz adressierte neue wissenschaftliche Fragestellungen innerhalb der Forschungskooperation, an der auch das Helmholtz-Institut für funktionelle marine Biodiversität (HIFMB) sowie die Universitäten Hongkong und Chicago beteiligt waren. „Unser Plan bestand nun darin, herauszufinden, welche Mikroorganismen in den Kiemen dieser Fische leben, und so neue Aufschlüsse in das noch wenig erforschte Kiemenmikrobiom zu erlangen“, erklärt Sabrin Abdelghany. Martin Helmkampf ergänzt: „Die Kiemen sind eine wichtige Schnittstelle zwischen dem Körper des Fisches und seiner Umwelt. Sie sind nicht nur für den Gasaustausch bei der Atmung von Bedeutung, sondern auch für die Immunabwehr, die Ausscheidung von Abfall- und Stoffwechselprodukten sowie für die Regulierung des pH-Werts und des Salzhaushalts im Körper.“

Rekonstruktion und funktionelle Annotation des Kiemenmikrobioms

Bioinformatisch entfielen über 95 Prozent der sequenzierten DNA-Reads auf das Genom der Hamletbarsche, während der mikrobielle Anteil unter fünf Prozent lag. Trotz der geringen relativen Abundanz reichte die Abdeckung aus, um das Kiemenmikrobiom detailliert zu charakterisieren. Über De-novo-Assemblierung und Binning gelangen die Rekonstruktion von 70 bakteriellen Metagenom-assemblierten Genomen (MAGs) aus 17 taxonomischen Gruppen. Die Mehrheit dieser Bakterienstämme erwies sich als taxonomisch neu. Zudem zeigte der Vergleich mit Umgebungsdaten, dass sich die Kiemen-Mikroflora signifikant vom Mikrobiom des umgebenden Meerwassers unterscheidet, was auf eine spezifische Nischenanpassung und Selektion am Kiemenepithel anstelle einer passiven Kolonisierung hinweist. Puebla sagt: „Die Gene in diesen neuen Bakteriengenomen deuten darauf hin, dass die in den Kiemen gefundenen Mikroorganismen eine Vielzahl von Stoffwechselfunktionen ausüben können, darunter zahlreiche potenzielle metabolische Wechselwirkungen sowohl zwischen verschiedenen Bakterien als auch zwischen den Bakterien und den Fischen.“

In den dominanten Taxa identifizierte das Team ein vollständiges Geninventar für den chemosynthetischen Stoffwechselweg zur autotrophen Kohlendioxidfixierung mittels anorganischer Elektronen-Donoren. „Wir haben die DNA von Proteobakterien aus der Familie der Burkholderiaceae mit chemosynthetischem Potenzial nachgewiesen“, berichtet Sabrin Abdelghany. „Bakterien mit solchen chemosynthetischen Fähigkeiten wurden bereits in verschiedenen Meereslebensräumen wie Tiefsee-Hydrothermalquellen oder in Verbindung mit Wirbellosen wie Ringelwürmern und Weichtieren gefunden. Nach unserem Kenntnisstand wurden sie bislang jedoch noch nicht bei Fischen dokumentiert.“

Implikationen für die marine Aquakultur und Ecophysiologie

Die Charakterisierung dieses Kiemenmikrobioms offenbart ein komplexes mikrobielles Ökosystem mit potenziellen Effekten auf Stoffwechsel, Immunsystem und Physiologie der Fische und eröffnet neue Forschungsansätze an der Schnittstelle von Mikrobiologie und Ichthyologie. Helmkampf beschreibt es so: „Es ist wie zum ersten Mal durch einen Dschungel zu wandern, damit anzufangen, die dort lebenden Organismen zu untersuchen, und sich zu fragen, wie sie wohl miteinander interagieren.“

Puebla fasst zusammen: „Wir befinden uns eindeutig noch in einer Phase der Erkundung und Entdeckung und wissen so gut wie nichts darüber, welche Bedeutung das Kiemenmikrobiom für die Physiologie und Gesundheit von Fischen hat. Das ist sowohl für Aquakultur als auch für natürliche Populationen relevant, die mit raschen Umweltveränderungen konfrontiert sind.“

Quelle

Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT) (09/2026)