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Mikrobiom

Horizontaler Gentransfer verbessert Umweltanpassung

29.9.2021

Mikroorganismen können die Umweltanpassung und Fortpflanzungsfähigkeit ihrer Wirte steigern, wie die Mikrobiomforschung des vergangenen Jahrzehnts zeigt. Ein Forschungsteam um Dr. Fabian Staubach und Yun Wang von der Uni Freiburg hat nun das Verhältnis von Gluconobacter-Bakterien und der Drosophila melanogaster (Fruchtfliegen) untersucht. Sie fanden heraus, dass bestimmte Gluconobacter-Varianten die Fliegen mit Vitamin B1 versorgen und damit deren Fitness erhöhen, andere jedoch nicht. Die Fähigkeit zur Vitamin-B1-Bildung wird bei Gluconobacter durch horizontalen Gentransfer (HGT) erworben.

Dafür verglichen sie unterschiedliche, aber nahverwandte Arten von Gluconobacter-Bakterien und deren Wirkung auf die Fruchtfliegen. Diejenigen Bakterien, die Vitamin B1 produzierten, sorgten bei den Fliegen für mehr Nachkommen ‒ denn für sie wirkt das Vitamin reproduktionsfördernd. Die Forscher konnten zeigen, dass Bakterien die notwendigen vitaminproduzierenden Gene horizontal weitergeben können ‒ also nicht nur an ihre Nachkommen (vertikal), sondern an bereits lebende Artgenossen ohne diese Gene (horizontal). Ihre mikrobielle genomweite Assoziationsstudie führten die Wissenschaftler zusammen mit Forschern vom Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie und der University of Wisconsin-La Crosse (USA) durch.


Die Gruppe stellte auch fest, dass die Gluconobacter die vitaminproduzierenden Gene in der Evolutionsgeschichte bereits verloren hatten ‒ dann aber durch HGT von anderen Bakterien wiedererhalten haben. Hierfür erstellten sie einen Stammbaum der untersuchten Bakterien, mit dem die Evolutionsgeschichte der vitaminproduzierenden Gene nachverfolgbar war. Auf einem Ast dieses Baums traten die vitaminproduzierenden Gene als zusammenhängendes Operon auf, das große Ähnlichkeit mit Genen fremder Bakterien aufwies, was eine typische HGT-Spur ist. „Unsere Studie unterstreicht die Bedeutung der genetischen Variation zwischen nahverwandten Bakterien für den Wirt“, resümiert Staubach. „Wir konnten zeigen, dass horizontaler Gentransfer zur Flexibilität des Mikrobioms und möglicherweise zur Anpassung des Wirts an seine Umwelt beitragen kann.“


Horizontaler Gentransfer spielt in der Medizin eine wichtige Rolle, da er z.B. Bakterien eine beschleunigte Anpassung an veränderte Umgebungsbedingungen ermöglicht (Weitergabe von Antibiotikaresistenzen oder von Virulenzfaktoren u.a.). In der Evolutionsforschung wird zunehmend klar, dass der „Holobiont“ Mensch (Lynn Margulis, 1991) wesentliche Fähigkeiten durch HGT von „seinen“ Prokaryoten erwerben kann (Sitaraman R, Microbiome 2018).

1) Originalpublikation Wang Y, et al., BMC Biol 2021 Sep 27; 19(1): 187, DOI 10.1186/s12915-021-01124-y, PMID 34565363

2) Pressemitteilung Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, September 2021

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