Winzige Ozean-Eroberer: Wie Vorfahren von Prochlorococcus-Mikroben die Meere auf Exoskelett-Flossen eroberten

Neue Forschungen zeigen, dass die urzeitlichen küstennahen Vorfahren des Prochlorococcus-Mikroben den Ozean durch das Rafting auf Chitinkörnern kolonisiert haben. Credit: Jose-Luis Olivares/MIT

Eine neue Studie zeigt, dass kohlenstoffbindende Phytoplankton den Ozean durch das Rafting auf Chitinpartikeln kolonisiert haben.

Forscher des MIT haben herausgefunden, dass Prochlorococcus, ein wichtiger Bestandteil des Phytoplanktons, wahrscheinlich Chitin aus urzeitlichen Exoskeletten als Raft benutzt hat, um sich in offene Gewässer zu wagen, und sich weiterentwickelt hat, um fast so viel CO2 wie terrestrische Wälder aufzunehmen und die Biosphäre der Erde zu prägen.

Milliarden von pflanzenähnlichen Mikroben bilden im gesamten Ozean einen unsichtbaren, schwimmenden Wald. Während sie treiben, nutzen die winzigen Organismen das Sonnenlicht, um Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre aufzusaugen. Kollektiv absorbieren diese photosynthetischen Plankton, oder Phytoplankton, fast so viel CO2 wie die terrestrischen Wälder der Welt. Ein messbarer Anteil ihrer Kohlenstoffbindungskraft stammt von Prochlorococcus - einem smaragdgrünen Freiflieger, der heute das häufigste Phytoplankton in den Ozeanen darstellt.

Aber Prochlorococcus bewohnte nicht immer offene Gewässer. Die Vorfahren des Mikroorganismus hielten sich wahrscheinlich näher an den Küsten auf, wo Nährstoffe reichlich vorhanden waren und Organismen in gemeinsamen mikrobiellen Matten am Meeresboden überlebten. Wie kamen dann die Nachkommen dieser Küstendweller in die Lage, die photosynthetischen Kraftwerke der offenen Ozeane zu sein, die heute leben?

Die MIT-Wissenschaftler glauben, dass das Rafting der Schlüssel war. In einer neuen Studie schlagen sie vor, dass die Vorfahren von Prochlorococcus die Fähigkeit erworben haben, sich an Chitin anzulagern - die abgebauten Partikel urzeitlicher Exoskelette. Die Mikroben nutzten vorbeiziehende Flocken als Anker, um mit den Partikeln als Rafts weiter hinaus aufs Meer zu gelangen. Diese Chitin-Rafts könnten auch essentielle Nährstoffe bereitgestellt haben, um die Mikroben entlang ihrer Reise zu nähren und aufrechtzuerhalten.

Gestärkt hatten Mikroben-Generationen dann die Möglichkeit, neue Fähigkeiten zur Anpassung an den offenen Ozean zu entwickeln. Schließlich hätten sie sich zu einem Punkt entwickelt, an dem sie springen und als freischwebende Ozeanbewohner überleben konnten, die heute leben.

„Wenn Prochlorococcus und andere photosynthetische Organismen den Ozean nicht besiedelt hätten, würden wir auf einen sehr anderen Planeten schauen“, sagt Rogier Braakman, ein Forschungswissenschaftler am Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences (EAPS) des MIT. „Es war die Tatsache, dass sie in der Lage waren, sich an diese Chitin-Rafts anheften und sich dadurch in einem völlig neuen und massiven Teil der Biosphäre des Planeten festigen konnten, auf eine Weise, die die Erde für immer verändert hat.“

Braakman und seine Mitautoren präsentieren ihre neue Hypothese „Chitin Raft“, zusammen mit Experimenten und genetischen Analysen, die die Idee unterstützen, in einer Studie, die am 9. Mai in PNAS veröffentlicht wurde.

MIT-Mitautoren sind Giovanna Capovilla, Greg Fournier, Julia Schwartzman, Xinda Lu, Alexis Yelton, Elaina Thomas, Jack Payette, Kurt Castro, Otto Cordero und der MIT Institute Professor Sallie (Penny) Chisholm sowie Kollegen aus verschiedenen Institutionen, einschließlich des Woods Hole Oceanographic Institution.

Prochlorococcus gehört zu zwei Hauptgruppen, die zu einer Klasse namens Picocyanobakterien gehören, den kleinsten photosynthetisierenden Organismen auf dem Planeten. Die andere Gruppe ist Synechococcus, ein eng verwandter Mikroorganismus, der in Meeres- und Süßwassersystemen reichlich vorkommt. Beide Organismen leben durch Photosynthese.

Es stellt sich jedoch heraus, dass einige Stämme von Prochlorococcus alternative Lebensstile annehmen können, insbesondere in schlecht beleuchteten Regionen, wo die Photosynthese schwer aufrechtzuerhalten ist. Diese Mikroben sind „mixotroph“, indem sie eine Mischung aus anderen Kohlenstoff-bindenden Strategien zur Ernährung nutzen.

Forscher im Labor von Chisholm suchten nach Anzeichen von Mixotrophie, als sie auf ein gemeinsames Gen in mehreren modernen Stämmen von Prochlorococcus stießen. Das Gen kodiert die Fähigkeit, Chitin abzubauen, ein kohlenstoffreiches Material, das aus den abgestoßenen Schalen von Arthropoden wie Insekten und Krustentieren stammt.

„Das war sehr seltsam“, sagt Capovilla, die sich entschied, die Entdeckung genauer zu untersuchen, als sie als Postdoc in das Labor kam.

Für die neue Studie führte Capovilla Experimente durch, um zu sehen, ob Prochlorococcus Chitin tatsächlich auf nützliche Weise abbauen kann. Die bisherige Arbeit im Labor zeigte, dass das Chitin abbauende Gen bei Stämmen von Prochlorococcus auftauchte, die in schlecht beleuchteten Bedingungen und in Synechococcus lebten. Das Gen fehlte bei Prochlorococcus, die in sonnigeren Regionen lebten.

In the lab, Capovilla introduced chitin particles into samples of low-light and high-light strains. She found that microbes containing the gene could degrade chitin, and of these, only low-light-adapted Prochlorococcus seemed to benefit from this breakdown, as they appeared to also grow faster as a result. The microbes could also stick to chitin flakes — a result that particularly interested Braakman, who studies the evolution of metabolic processes and the ways they have shaped the Earth’s ecology.

“People always ask me: How did these microbes colonize the early ocean?” he says. “And as Gio was doing these experiments, there was this ‘aha’ moment.”

Braakman wondered: Could this gene have been present in the ancestors of Prochlorococcus, in a way that allowed coastal microbes to attach to and feed on chitin, and ride the flakes out to sea?

To test this new “chitin raft” hypothesis, the team looked to Fournier, who specializes in tracing genes across species of microbes through history. In 2019, Fournier’s lab established an evolutionary tree for those microbes that exhibit the chitin-degrading gene. From this tree, they noticed a trend: Microbes start using chitin only after arthropods become abundant in a particular ecosystem.

For the chitin raft hypothesis to hold, the gene would have to be present in ancestors of Prochlorococcus soon after arthropods began to colonize marine environments.

The team looked to the fossil record and found that aquatic species of arthropods became abundant in the early Paleozoic, about half a billion years ago. According to Fournier’s evolutionary tree, that also happens to be around the time that the chitin-degrading gene appears in common ancestors of Prochlorococcus and Synecococchus.

“The timing is quite solid,” Fournier says. “Marine systems were becoming flooded with this new type of organic carbon in the form of chitin, just as genes for using this carbon spread across all different types of microbes. And the movement of these chitin particles suddenly opened up the opportunity for microbes to really make it out to the open ocean.”

The appearance of chitin may have been especially beneficial for microbes living in low-light conditions, such as along the coastal seafloor, where ancient picocyanobacteria are thought to have lived. To these microbes, chitin would have been a much-needed source of energy, as well as a way out of their communal, coastal niche.

Braakman says that once out at sea, the rafting microbes were sturdy enough to develop other ocean-dwelling adaptations. Millions of years later, the organisms were then ready to “take the plunge” and evolve into the free-floating, photosynthesizing Prochlorococcus that exist today.

“In the end, this is about ecosystems evolving together,” Braakman says. “With these chitin rafts, both arthropods and cyanobacteria were able to expand into the open ocean. Ultimately, this helped to seed the rise of modern marine ecosystems.”