Ökologische Relevanz von Nukleotid-Abbauwegen in aquatischen Ökysystemen: Bedeutung für die mikrobielle Bioenergetik und Nährstoffdynamik

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Pester, seit 1/2024
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445123226

Obwohl sich die meiste Aufmerksamkeit auf die Bedeutung anorganischer Nährstoffe wie Nitrat, Phosphat und Eisen bei der Begrenzung des Phytoplanktonwachstums und der Primärproduktion konzentriert hat, deuten die Daten auch darauf hin, dass die Begrenzung der gelösten organischen Substanz (DOM) auch das Zellwachstum einschränkt. DOM ist eine komplexe heterogene Lösung diverser Biomoleküle, die hauptsächlich aus Zellstoffwechselinhalten bestehen, die nach dem Zerfall planktonischer Zellen freigesetzt werden, wobei die viral meditierte Zelllyse bis zu einem Viertel des marinen DOM-Pools ausmacht. Daher sind biologische Mechanismen, die die DOM-Dynamik beeinflussen, von besonderem Interesse für das Verständnis der Rolle aquatischer Systeme in den globalen Nährstoffkreisläufen. Ein anerkannter, aber schlecht charakterisierter Baustein von DOM, der vermutlich die Struktur und Funktion von Bakterioplanktongemeinschaften beeinflusst, ist jedoch frei gelöste Nukleotide und deren Derivate. Trotz der Bedeutung von Nukleotiden für das Zellwachstum und die Lebensfähigkeit ist die Produktion dieser Biomoleküle metabolisch und energetisch sehr aufwendig und erfordert einen erheblichen Teil der Produktionskapazitäten lebender Zellen. Dies wiederum bedeutet, dass die de novo-Nukleotidsynthese das Wachstum in lebenden Zellen natürlich begrenzt. Daher wollen wir klären, ob das Recycling exogener Nukleotide über Bergungspfade einen energetisch effizienten Mechanismus darstellt, der die DNA-Replikation und das Zellwachstum in aquatischen Systemen unterstützt.Frühere Studien deuten darauf hin, dass frei gelöste Nukleotide im Ozean schnell umgedreht werden. Die wichtigsten mikrobiellen Akteure sind jedoch nach wie vor ungeklärt und stellen die Frage, ob ökologisch relevantes, im Ozean vorkommendes Bakterioplankton wie SAR11, Prochlorococcus, und Nitrosopumilus exogene Nukleotide recyceln. Erste Ergebnisse, die auf genomischen und metatranskriptomischen Daten basieren, deuten darauf hin, dass das Recycling exogener Nukleotide die Zusammenstellung mariner mikrobieller Gemeinschaften und eine potenzielle treibende Kraft beim Wachstum von gestrafftem pelagischem Bakterioplankton ist. Diese Ergebnisse ermöglichen es nun, gezielte Feld- und Laborexperimente zu entwickeln, um die Hypothese zu testen, dass Schlüsselbakterienplankton gelöste Nukleotide auf natürliche Weise für Wachstum, Energie- und Nährstofferhaltung oder beides metabolisiert. In dieser Studie schlagen wir zwei dringende Studien vor, um dieses Ziel voranzutreiben: (1) Charakterisierung des Zusammenspiel zwischen der Dynamik der Virioplanktongemeinschaft, gelösten Nukleotidflüssen und der Transkriptionslandschaft des Nukleotid-Rettungsstoffwechsels im Roten Meer und am Bodensee und (2) Untersuchung der Rolle der geretteten Nukleotide für das Zellwachstum, den Energiestoffwechsel und die Reaktion auf Nährstoffeinschränkung basierend auf Kultivierungsexperimenten mit ökologisch relevanten Bakterioplanktonarten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. David Kamanda Ngugi, bis 1/2024