Vom Dunkeln ins Licht: Aufklärung von Stoff- und Energieflüssen in arktischen mikrobiellen Ökosystemen mittels Integration genomischer Information und Umweltparametern

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Oliver Ebenhöh; Dr. Katja Metfies
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433071321

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

The arktische Ozean ist ein Ökosystem von zentraler Bedeutung für das Weltklima. Es unterliegt den stärksten Veränderungen aufgrund des menschengemachten Klimawandels. Um dieses wichtige und empfindliche Ökosystem besser zu verstehen, wurde die MOSAiC-Expedition ins Leben gerufen, auf der das Forschungsschiff Polarstern über ein Jahr im Meereis eingefroren über die nördliche Polarregion driftete, wobei ein riesiger Satz von physikalischen und biologischen Daten gesammelt wurde. In diesem Projekt haben wir insbesondere die Daten bezüglich mariner Mikroorganismen untersucht, mit dem Ziel, die Dynamik des marinen mikrobiellen Ökosystems besser zu verstehen und damit seine Bedeutung für globale Nährstoffkreisläufe besser deuten zu können. Zusätzlich zu Daten aus der MOSAiC-Expedition haben wir auch Daten von Forschungsstationen in der Fram-Straße, einer Meeresenge am Rande des Arktischen Ozeans zwischen Grönland und Spitsbergen für unsere Analyse herangezogen. Eines unserer zentralen Resultate dieses Projektes war zu zeigen, dass die jährliche Dynamik der Mikroorganismen in der Arktis eine große Regelmäßigkeit zeigen, die hauptsächlich durch die Lichtverfügbarkeit, die Temperatur und den Salzgehalt des Wassers bestimmt wird. Im Frühling jedoch, wenn die Tageslänge rasch zunimmt während des Übergangs von Polarnacht zu -tag, scheinen die entstehenden mikrobiellen Gemeinschaften unabhängig zu sein von denjenigen, die den Winter überleben. Die Daten weisen daraufhin, dass andere Faktoren hier eine größere Rolle spielen, wie zum Beispiel der Transport aus anderen Regionen durch Meeresströmungen. Darüber hinaus deuten die Daten daraufhin, dass kälteangepasste Organismen sich leichter an wärmeres Klima anpassen können, als andersherum. Mit unseren Forschungsergebnissen haben wir zum Verständnis des arktischen Ökosystems beigetragen und haben einen wichtigen Schritt in die Richtung genommen, Vorhersagen zu treffen, wie sich dieses Ökosystem unter verschiedenen zukünftigen Klimaszenarien ändert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Multiomics in the central Arctic Ocean for benchmarking biodiversity change. PLOS Biology, 20(10), e3001835.
  Mock, Thomas; Boulton, William; Balmonte, John-Paul; Barry, Kevin; Bertilsson, Stefan; Bowman, Jeff; Buck, Moritz; Bratbak, Gunnar; Chamberlain, Emelia J.; Cunliffe, Michael; Creamean, Jessie; Ebenhöh, Oliver; Eggers, Sarah Lena; Fong, Allison A.; Gardner, Jessie; Gradinger, Rolf; Granskog, Mats A.; Havermans, Charlotte; Hill, Thomas ... & Metfies, Katja
  
• Atlantic water influx and sea-ice cover drive taxonomic and functional shifts in Arctic marine bacterial communities. The ISME Journal, 17(10), 1612-1625.
  Priest, Taylor; von Appen, Wilken-Jon; Oldenburg, Ellen; Popa, Ovidiu; Torres-Valdés, Sinhué; Bienhold, Christina; Metfies, Katja; Boulton, William; Mock, Thomas; Fuchs, Bernhard M.; Amann, Rudolf; Boetius, Antje & Wietz, Matthias
  
• DeepLOKI- a deep learning based approach to identify zooplankton taxa on high-resolution images from the optical plankton recorder LOKI. Frontiers in Marine Science, 10.
  Oldenburg, Ellen; Kronberg, Raphael M.; Niehoff, Barbara; Ebenhöh, Oliver & Popa, Ovidiu
  
• Beyond blooms: the winter ecosystem reset determines microeukaryotic community dynamics in the Fram Strait. Communications Earth & Environment, 5(1).
  Oldenburg, Ellen; Kronberg, Raphael M.; Metfies, Katja; Wietz, Matthias; von Appen, Wilken-Jon; Bienhold, Christina; Popa, Ovidiu & Ebenhöh, Oliver
  
• Overview of the MOSAiC expedition: Ecosystem. Elem Sci Anth, 12(1).
  Fong, Allison A.; Hoppe, Clara J. M.; Aberle, Nicole; Ashjian, Carin J.; Assmy, Philipp; Bai, Youcheng; Bakker, Dorothee C. E.; Balmonte, John P.; Barry, Kevin R.; Bertilsson, Stefan; Boulton, William; Bowman, Jeff; Bozzato, Deborah; Bratbak, Gunnar; Buck, Moritz; Campbell, Robert G.; Castellani, Giulia; Chamberlain, Emelia J.; Chen, Jianfang ... & Gradinger, Rolf R.
  
• Sea-ice melt determines seasonal phytoplankton dynamics and delimits the habitat of temperate Atlantic taxa as the Arctic Ocean atlantifies. ISME Communications, 4(1).
  Oldenburg, Ellen; Popa, Ovidiu; Wietz, Matthias; von Appen, Wilken-Jon; Torres-Valdes, Sinhue; Bienhold, Christina; Ebenhöh, Oliver & Metfies, Katja
  
• Seasonal recurrence and modular assembly of an Arctic pelagic marine microbiome. Nature Communications, 16(1).
  Priest, Taylor; Oldenburg, Ellen; Popa, Ovidiu; Dede, Bledina; Metfies, Katja; von Appen, Wilken-Jon; Torres-Valdés, Sinhué; Bienhold, Christina; Fuchs, Bernhard M.; Amann, Rudolf; Boetius, Antje & Wietz, Matthias