Horizontaler Transfer der Maschinerie zwischen Bakterien
Die Photosynthese ist der wohl komplexeste Prozess, für den die horizontale Übertragung von genetischem Material bislang beschrieben wurde. Mikrobiologen vom Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH konnten nun nachweisen, dass der horizontale (s.u.) Gen- beziehungsweise Operontransfer (in grampositiven und gramnegativen Bakterien für nicht-sexuelle Übertragung von genetischem Material notwendige Gene) dabei eine entscheidende Rolle spielt.
Eines der größten Blätter: Zantedeschia – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify
Die Photosynthese, einer der bedeutendsten biologischen Prozesse überhaupt, begann vor rund 3,5 Milliarden Jahren, als die ersten Bakterien – Vorläufer der heutigen Cyanobakterien – die Fähigkeit entwickelten, Lichtenergie zu nutzen. Auch heute noch sind viele Bakterien phototroph. Allein in der Gruppe der Proteobakterien, zu denen auch Stickstoff-fixierende Rhizobien und Coli-Bakterien gehören, gibt es zahlreiche Arten, die Photosynthese betreiben. Da diese im Stammbaum nur entfernt miteinander verwandt sind, war bisher umstritten, wie sie diese Fähigkeit erworben haben. War der gemeinsame Vorfahre aller Proteobakterien bereits photosynthetisch und gingen die entsprechenden Gene vielfach wieder verloren oder haben einzelne Linien diese Fähigkeit mehrfach unabhängig voneinander erworben?
Mehr als 40 Gene für Photosynthese-Apparat notwendig
Für die Ausbildung des Photosynthese-Apparates wird eine Gruppe von über 40 Genen benötigt. Während die Übertragung einzelner Gene von einem Individuum auf ein anderes, der so genannte horizontale Gentransfer, bei Bakterien häufig vorkommt, ist dies für komplexe Fähigkeiten kaum untersucht. Im Falle der Photosynthese müsste der komplette Satz an Genen mehrfach übertragen worden sein. Diese Erklärung galt bislang als wenig wahrscheinlich.
Die Mikrobiologen um PD Dr. Jörn Petersen in Braunschweig wiesen jetzt nach, dass genau dies der Fall ist. Den Schlüssel für eine Vererbung der Photosynthese zwischen verschiedenen Arten lieferten kompakte Photosynthese Gencluster (PGC), die alle benötigten Gene enthalten. „Wir konnten zeigen, dass der horizontale Gen- beziehungsweise Operontransfer, bei der Evolution der Photosynthese in Proteobakterien eine ganz entscheidende Rolle spielt“, erläutert Petersen und zeigt sich selbst überrascht: „Dies ist der wohl komplexeste Prozess, für den die horizontale Übertragung von genetischem Material bislang beschrieben wurde. Allein bei den von uns untersuchten Bakterien aus der Roseobacter-Gruppe muss dies sieben Mal geschehen sein. Das hatten wir so nicht erwartet.“ Die Wissenschaftler haben aber eine Vorstellung über den zugrundeliegenden Mechanismus des horizontalen Operontransfers (HOT). Sie konnten nachweisen, dass bei sechs Bakterien die PGCs auf einem Plasmid, also nicht auf dem Chromosom lokalisiert sind. Der Austausch von Plasmiden ist ein typischer Mechanismus der genetischen Kommunikation in Bakterien und erklärt schlüssig den Transfer des kompletten PGCs über die Artgrenze hinweg.
Petersen und seine Kollegen haben für ihre Studie das Erbgut von 105 Proteobakterien untersucht und die Entwicklungsgeschichte des Photosynthese-Genclusters mit dem Stammbaum dieser Arten verglichen. Da sich beide deutlich voneinander unterscheiden, konnte der einmalige Erwerb und ein vielfacher späterer Verlust des PGC als Erklärung ausgeschlossen werden. Die Verteilung lässt sich nur durch mehrfachen horizontalen Transfer des kompletten Operons erklären. „Unsere Studie bringt Licht in die komplexen evolutionären Prozesse, welche die bakteriellen Gemeinschaften in den globalen biogeochemischen Kreisläufen formen“, fasst Petersen die Ergebnisse zusammen. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler jetzt im renommierten ISME Journal veröffentlicht.
Die Forschungsarbeit ist im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Roseobacter“ entstanden, in dem schwerpunktmäßig Ökologie, Physiologie und Molekularbiologie der Roseobacter-Gruppe erforscht werden, einer global wichtigen Gruppe mariner Bakterien. Jörn Petersen leitet einen der drei an der DSMZ angesiedelten Arbeitsbereiche des Sonderforschungsbereichs und erforscht dort die Funktion von Plasmiden.
->Quellen:
- leibniz-gemeinschaft.de/vererbte-photosynthese
- Originalartikel: Henner Brinkmann, Markus Göker, Michal Koblížek, Irene Wagner-Döbler, Jörn Petersen: Horizontal operon transfer, plasmids, and the evolution of photosynthesis in Rhodobacteraceae, in: The ISME Journal (2018)
https://doi.org/10.1038/s41396-018-0150-9