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Pärchenbeziehung ist meist von Vorteil für Bakterien

Ökologen der Uni Osnabrück untersuchen Teamwork in der Natur

Indem sie eine Symbiose mit einem anderen Organismus eingehen, können Bakterien neue Nahrungsressourcen nutzen. Durch diese Pärchenbildungsstrategie vergrößern Bakterien zumeist auch ihren Lebensraum. Zu diesem Ergebnis kommt die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Christian Kost von der Abteilung Ökologie am Fachbereich Biologie/Chemie der Universität Osnabrück. Sein Team hatte die Bedeutung partnerschaftlicher Wechselbeziehungen für das Nahrungsmanagement am Beispiel von fünf verschiedenen Bakterienarten untersucht. Die Studie ist unter dem Titel „Obligate cross-feeding expands the metabolic niche of bacteria“ in dem wissenschaftlichen Fachjournal Nature Ecology & Evolution erschienen: https://www.nature.com/articles/s41559-021-01505-0

Ähnlich einem Brettspiel, bei dem Spieler mit anderen verhandeln müssen, um Zugang zu verschiedenen Ressourcen zu erhalten, können sich auch Bakterien durch Kooperation neue Nahrungsquellen erschließen. Oben sind ähnliche Arten dargestellt, die sich bei Interaktion nur auf einer kleineren Fläche ausbreiten können (blaue Linien im grauen Sechseck). Unten ist der Effekt der Interaktion von entfernt miteinander verwandten Arten dargestellt, der zu einer größeren Ausbreitung führt (grüne und braune Linien in blauen Sechseckblöcken). (Copyright: Shraddha Shitut).

„In der Natur sehen wir, dass Bakterien oft auf andere Bakterienstämme angewiesen sind, diese mit ihren lebensnotwendigen Nährstoffen zu versorgen. Solche sogenannten ‚Mutualismen‘ sind partnerschaftliche Wechselbeziehungen zwischen Bakterien, aus denen beide Interaktionspartner einen positiven Nutzen ziehen“, erklärt Prof. Kost. Da beide Bakterienstämme oft über unterschiedliche Nahrungspräferenzen verfügen würden, stellte sich die Frage, ob Paare zweier voneinander abhängiger Bakterienstämme mehr oder weniger Nährstoffressourcen nutzen können als die beiden Bakterienstämme alleine.

Zusammen mit Kollegen der Universität Gießen erzeugte Kosts Team unter kontrollierten Laborbedingungen Bakterienstämme, die einen bestimmten Nährstoff nicht mehr selbst herstellen konnten. Weiterwachsen konnten diese Stämme nur, wenn sie den benötigen Nährstoff von einem zweiten Bakterienstamm bekamen. Die Paare wurden in verschiedenen Nährmedien kultiviert, die je eine unterschiedliche Nahrungsressource enthielten. Durch Analyse des Wachstums der Bakterienstämme untersuchten die Ökologen dann, ob eine solche partnerschaftliche Beziehung die Zahl der nutzbaren Nahrungsressourcen eher vergrößerte oder verkleinerte.

„Unter diesen im Labor erzeugten Bedingungen konnten wir beobachten, dass die Ko-Kultur zweier voneinander abhängiger Bakterienstämme ihren gemeinsamen Lebensraum meist erweiterte“, berichtet Prof. Kost. So brachte der Mutualismus den Bakterienpaaren einen echten Überlebensvorteil.

Im Detail stellte das Forschungsteam fest, dass weiter entfernt verwandte Bakterienarten ihren Nischenraum als Paar deutlich mehr erweitern konnten als artverwandte Paare. Auch Stämme, die sich auf die Nutzung weniger Nahrungsressourcen spezialisiert hatten, konnten sich durch die sogenannte „mutualistische Interaktion“ neue Nahrungsquellen erschließen. Im Gegensatz dazu verkleinerte der Mutualismus den Nischenraum von Generalisten-Bakterien, so das Studienergebnis. Vereinfacht gesagt: Paare aus der Kategorie „Gleich und gleich“ sowie besonders unwählerische Individuen erhielten durch das Pärchendasein keinen nennenswerten Vorteil, wohingegen gegensätzliche Paare und Spezialisten gemeinsam wachsen konnten.

„Unsere Forschung hilft zu verstehen, wie sich Symbiosen und mutualistische Interaktionen auf die beteiligten Partner auswirken. Diese Art von Wechselbeziehung ist weit in der Natur verbreitet und betrifft nicht nur Bakterien, sondern beispielsweise auch Pflanzen und ihre Bestäuber oder Stickstoff-fixierende Bakterien und Pilze im Wurzelbereich. Unsere Arbeit identifiziert ‚Teamwork‘ in der Natur als wichtige Strategie, mit der Organismen ihre Fähigkeiten deutlich erweitern können“, resümiert Prof. Dr. Christian Kost von der Universität Osnabrück.

Zur Veröffentlichung: https://www.nature.com/articles/s41559-021-01505-0

Informationen für die Redaktionen:
Prof. Dr. Christian Kost
Universität Osnabrück
Fachbereich Biologie/Chemie
Abteilung für Ökologie
christian.kost (at) uni-osnabrueck.de
0541 969-2853
https://www.kostlab.com