Untersuchungen alpiner Seen zeigen Bedeutung von Viren in Süßwassergewässern
Viren spielen als häufigste biologische Systeme der Erde in verschiedensten Lebensräumen wie Flüssen und Seen eine Schlüsselrolle und sind sogar in den unwirtlichsten Umgebungen zu finden. Sie haben Einfluss auf Bakteriengemeinschaften, u. a. auf deren Entwicklungsdynamik, Mineralisierungsprozesse und Energietransfer, und wirken sich auch auf allen trophischen Ebenen und auf die Treibhausgasemissionen aus. Obwohl sie wichtige ökologische Prozesse in aquatischen Systemen steuern, sind die Faktoren, die die Dynamik von Virenpopulationen und ökologische Funktionen in Süßwasser beeinflussen, nach wie vor wenig bekannt. Das über das Marie-Skłodowska-Curie-Programm finanzierte Projekt metaVir-Alp hat nun diese Wissenslücke geschlossen und setzte den Schwerpunkt auf Virenpopulationen in Süßwasser, da diese Gewässer für den Alpenraum und andere EU-Regionen von besonderer Bedeutung sind. Das Wissenschaftlerteam charakterisierte die genetische Vielfalt, Struktur und Funktion viraler und bakterieller Gemeinschaften in Süßwassersystemen entlang eines Höhengradienten und kombinierte hierfür Metagenomik, Mikrobiologie und modernste Computermessmethoden. „Wir untersuchten dies am Modellsystem der bedrohten Alpenseen“, erklärt Projektkoordinatorin Dr. Federica Pinto, „insbesondere an vier Seesedimenten, die aufgrund der großen Ablagerung von terrestrischem Kohlenstoff und der Ausgasung von Treibhausgasen Hotspots des Kohlenstoffkreislaufs sind.“ Genauere Analysen des Viroms Zunächst wurden in einer Voruntersuchung Protokolle für die verschiedenen Schritte implementiert und validiert, u. a. für die Probensammlung, Anreicherung der Proben mit Viren und Vorbereitung einer Virombibliothek. Die zweite Phase umfasste zwei weitere Feldstudien, anhand derer ein umfassender Datensatz mit physikalisch-chemischen Daten sowie Profilen der Viren- und Mikrobenabundanz für jeden See erstellt wurde. Mittels Hochdurchsatzsequenzierung erstellte die Wissenschaftlergruppe außerdem eine DNA-Bank mit jeweils 34 Mikroben- und Virenpopulationen. „Diese beiden umfangreichen Datensätze zu den räumlichen Gegebenheiten und zeitlichen Abläufen in Seen können derzeitige und künftige Studien zu Mikroben- und Virenpopulationen in Süßwasserseen der Alpen enorm unterstützen“, erklärt Dr. Pinto. Die Ergebnisse zeigten, dass es vor allem auf die richtige Porengröße der Filter ankommt, wenn mit Filtration zur Virenanreicherung gearbeitet und eine Hochdurchsatzsequenzierung durchgeführt wird. Wegen des hohen Anteils an mikrobiellen Taxa in Proben, die mit Viren angereichert waren, muss die computergestützte Vorverarbeitung der Metagenome vor jeder weiteren Analyse besonders exakt sein. Diese Einschränkungen bei Viromstudien wurden in öffentlichen Datensätzen validiert, da dort die Fehler noch ausgeprägter sind. Als Virom wird die Gesamtheit an Nukleinsäuren (RNA und DNA) in einer Virenpopulation eines spezifischen Ökosystems bezeichnet. „So können unsere Ergebnisse die Grundlage für fundiertere und genauere Untersuchungen zukünftiger Virome sein“, erklärt Dr. Pinto. Analyse neuer mikrobieller Genome Weiterhin kann so die Entwicklung einer virusspezifischen rechnergestützten metagenomischen Pipeline für die Charakterisierung neuer Virusgruppen und strukturelle Analysen von Virengemeinschaften in natürlicher Umwelt unterstützt werden. Das Forscherteam führte auch Genanalysen des Cyanobakteriums Tychonema bourrellyi durch, einer wichtigen Spezies, die Neurotoxine produziert und damit für Mensch und Tier gesundheitliche Risiken birgt. Sequenziert und assembliert wurden schließlich drei neue mikrobielle Genome potenzieller Symbionten von Cyanobakterien. metaVir-Alp wird Mikrobiologen, Bioinformatikern und Limnologen neue Informationen für die Erstellung der ersten metagenomischen Datenbank zu Virenpopulationen in Süßwassersedimenten liefern und dabei sowohl die neuen Proben des Projekts als auch die wenigen in der Literatur beschriebenen Proben zusammenführen. „Dies wird neue Wege in der Grundlagenforschung und angewandten Mikrobiologie in Süßwasserseen und Flüssen ebnen und der Umweltvirologie essentielle Daten für die Erstellung wissenschaftlich bedeutsamer Viromsequenzdatenbanken liefern“, schließt Dr. Pinto.
Schlüsselbegriffe
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