DNA-Analysen werfen ein neues Licht auf das Mikrobiom in den Kiemen von Korallenrifffischen
Forschende des Leibniz-Zentrums für Marine Tropenforschung (ZMT) und des Instituts für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg haben im Rahmen einer Genomstudie bislang unbekannte Mikroorganismen in den Kiemen von Rifffischen entdeckt, die vielfältige Stoffwechselfunktionen erfüllen können. Besonders häufig fanden sie eine neue Gruppe von Proteobakterien mit chemosynthetischem Potenzial, also der Fähigkeit, durch die Oxidation anorganischer Verbindungen Energie zu gewinnen und mithilfe dieser Energie Kohlendioxid zu Biomasse zu fixieren. Bakterien mit solchen chemosynthetischen Fähigkeiten wurden bereits in verschiedenen marinen Lebensräumen oder in Verbindung mit wirbellosen Wirten wie Ringelwürmern und Weichtieren nachgewiesen. Bei Fischen stellen sie nach Kenntnis der Forschenden höchstwahrscheinlich eine neue Entdeckung dar. Die Ergebnisse zeigen, dass Fischkiemen ein komplexes und spezialisiertes Mikrobiom beherbergen, das bislang nur wenig erforscht ist, aber eine wichtige Rolle für Stoffwechsel, Immunabwehr und Gesundheit der Fische spielen könnte. Die Studie ist in der Fachzeitschrift PLOS Genetics erschienen.
Die Wissenschaftler:innen des ZMT und des ICBM haben die Mikroorganismen in den Kiemen von Korallenrifffischen genauer unter die Lupe genommen. Dafür nutzten sie Daten aus früheren Genomstudien an tropischen Hamletbarschen (Hypoplectrus spp.) aus der gesamten Karibik, für die sie Hunderte von Kiemenproben untersucht hatten. Im Rahmen dieser Studien hatte das Team die gesamte DNA in den Gewebeproben, das sogenannte Metagenom sequenziert. So entstand ein umfangreicher Datenschatz, der nicht nur Fisch-DNA, sondern auch die DNA der in den Kiemen lebenden Mikroorganismen umfasste.
Ursprünglich hatten die Forschenden vor, die mikrobielle DNA außer Acht zu lassen und nur die sequenzierte Fisch-DNA zu nutzen, um die Artbildung und Evolution der Fische zu untersuchen – was sie auch taten. Doch dann beschlossen sie, den Datensatz noch einmal aus einer anderen Perspektive zu betrachten.
„Früher haben wir uns bei unserer Arbeit ausschließlich auf die Fisch-DNA konzentriert und mikrobielle DNA als Verunreinigung betrachtet“, erinnert sich Oscar Puebla, Fischökologe am ZMT und Professor für Fischökologie am ICBM der Universität Oldenburg. „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 Perspektivwechsel führte zu neuen Forschungsfragen für das Team, dem auch Kollegen vom Helmholtz-Institut für funktionelle marine Biodiversität (HIFMB) in Oldenburg sowie von den Universitäten Hongkong und Chicago angehörten.
„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, ehemalige Doktorandin am ZMT und Erstautorin der Studie.
Ihr Co-Autor Martin Helmkampf vom ZMT 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.“
Neue Einblicke in das Kiemenmikrobiom: Kleiner Anteil der DNA-Daten offenbart neue Bakteriengruppen in den Fischkiemen
Die Forschenden stellten fest, dass mehr als 95 Prozent der aus den Kiemen gewonnenen DNA von den Hamletbarschen stammte und die mikrobielle DNA weniger als fünf Prozent der Daten ausmachte. Doch dieser geringe Anteil reichte aus, um neue Erkenntnisse über das Mikrobiom der Fischkiemen zu gewinnen.
Dem Team gelang es, 70 bakterielle Genome aus 17 Bakteriengruppen zu rekonstruieren. Dabei stellte sich heraus, dass die Mehrzahl dieser Bakterien neu für die Wissenschaft war. Außerdem konnten die Forschenden zeigen, dass sich das Kiemenmikrobiom deutlich von der Gemeinschaft der Mikroorganismen im umgebenden Meerwasser unterschied. Das deutet darauf hin, dass das Kiemenmikrobiom nicht lediglich ein Abbild des Meerwasser-Mikrobioms ist, mit dem die Kiemen in ständigem Kontakt stehen, sondern vielmehr speziell an das Leben auf den Kiemen angepasst ist.
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.“
Zu seiner Überraschung stellte Pueblas Team zudem fest, dass die in den Kiemen am häufigsten vorkommenden Bakterien über sämtliche Gene verfügen, die für die Chemosynthese erforderlich sind. Sie besitzen damit das Potenzial, Kohlendioxid zu binden und dafür – anders als Pflanzen – Energie aus der Oxidation anorganischer Verbindungen, statt aus Sonnenlicht zu nutzen.
„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.“
Das Fazit der Forschenden: Die Kiemen beherbergen ein komplexes und spezialisiertes Mikrobiom, das noch wenig erforscht ist, aber möglicherweise eine Rolle für den Stoffwechsel, das Immunsystem und die Gesundheit der Fische spielt. Die Erkenntnisse werfen nun weitere Fragen auf und eröffnen dem Team neue Forschungsfelder.
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.“
Publikation:
Abdelghany S, Helmkampf M, Schechter MS, Veseli IA, Leray M, Eren AM, et al. (2026) Proteobacteria with chemosynthetic potential are highly prevalent in the gills of Hypoplectrus reef fishes. PLoS Genet 22(8): e1012266. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1012266
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