Leibniz-Verbund Biodiversität

© M. Premke-Kraus

Vererbte Photosynthese

05. Juni 2018 | Leibniz-Institut DSMZ

Vor 3,5 Milliarden Jahren begannen Bakterien, Lichtenergie zu nutzen. Teilweise tun sie dies heute noch – obwohl sie kaum verwandt sind. Wie gelang es ihnen, diesen komplexen Prozess zu übernehmen?


Auf der Erde entwickelten die ersten Bakterien bereits vor rund 3,5 Milliarden Jahren die Fähigkeit Lichtenergie zu nutzen. Vorläufer der heutigen Cyanobakterien haben die pflanzliche Photosynthese erfunden, aber auch heute noch sind viele Bakterien phototroph. Allein in der Gruppe der Proteobakterien, zu denen auch Stickstoff-fixierende Rhizobien und Coli-Bakterien gehören, gibt es zahlreiche Arten, die Photosynthese betreiben. Da diese im Stammbaum nur entfernt miteinander verwandt sind, war bisher umstritten, wie sie diese Fähigkeit erworben haben. War der gemeinsame Vorfahre aller Proteobakterien bereits photosynthetisch und gingen die entsprechenden Gene vielfach wieder verloren oder haben einzelne Linien diese Fähigkeit mehrfach unabhängig voneinander erworben?

Für die Ausbildung des Photosynthese-Apparates wird eine Gruppe von über 40 Genen benötigt. Während die Übertragung einzelner Gene von einem Individuum auf ein anderes, der so genannte horizontale Gentransfer, bei Bakterien häufig vorkommt, ist dies für komplexe Fähigkeiten kaum untersucht. Im Falle der Photosynthese müsste der komplette Satz an Genen mehrfach übertragen worden sein. Diese Erklärung galt bislang als wenig wahrscheinlich.

Mikrobiologen um PD Dr. Jörn Petersen vom Leibniz-Institut DSMZ, der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen in Braunschweig, konnten nun jedoch nachweisen, dass genau dies der Fall ist. Den Schlüssel für eine Vererbung der Photosynthese zwischen verschiedenen Arten lieferten kompakte Photosynthese Gencluster (PGC), die alle benötigten Gene enthalten. „Wir konnten zeigen, dass der horizontale Gen- beziehungsweise Operontransfer, bei der Evolution der Photosynthese in Proteobakterien eine ganz entscheidende Rolle spielt“, erläutert Petersen und zeigt sich selbst überrascht: „Dies ist der wohl komplexeste Prozess, für den die horizontale Übertragung von genetischem Material bislang beschrieben wurde. Allein bei den von uns untersuchten Bakterien aus der Roseobacter-Gruppe muss dies sieben Mal geschehen sein. Das hatten wir so nicht erwartet.“ Die Wissenschaftler haben aber eine Vorstellung über den zugrundeliegenden Mechanismus des horizontalen Operontransfers (HOT). Sie konnten nachweisen, dass bei sechs Bakterien die PGCs auf einem Plasmid, also nicht auf dem Chromosom lokalisiert sind. Der Austausch von Plasmiden ist ein typischer Mechanismus der genetischen Kommunikation in Bakterien und erklärt schlüssig den Transfer des kompletten PGCs über die Artgrenze hinweg.

Petersen und seine Kollegen haben für ihre Studie das Erbgut von 105 Proteobakterien untersucht und die Entwicklungsgeschichte des Photosynthese-Genclusters mit dem Stammbaum dieser Arten verglichen. Da sich beide deutlich voneinander unterscheiden, konnte der einmalige Erwerb und ein vielfacher späterer Verlust des PGC als Erklärung ausgeschlossen werden. Die Verteilung lässt sich nur durch mehrfachen horizontalen Transfer des kompletten Operons erklären. „Unsere Studie bringt Licht in die komplexen evolutionären Prozesse, welche die bakteriellen Gemeinschaften in den globalen biogeochemischen Kreisläufen formen“, fasst Petersen die Ergebnisse zusammen. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler jetzt im renommierten ISME Journal veröffentlicht.

Die Forschungsarbeit ist im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Roseobacter“ entstanden, in dem schwerpunktmäßig Ökologie, Physiologie und Molekularbiologie der Roseobacter-Gruppe erforscht werden, einer global wichtigen Gruppe mariner Bakterien. Jörn Petersen leitet einen der drei an der DSMZ angesiedelten Arbeitsbereiche des Sonderforschungsbereichs und erforscht dort die Funktion von Plasmiden.

Originalartikel

Henner Brinkmann, Markus Göker, Michal Koblížek, Irene Wagner-Döbler, Jörn Petersen: Horizontal operon transfer, plasmids, and the evolution of photosynthesis in Rhodobacteraceae. The ISME Journal (2018) https://doi.org/10.1038/s41396-018-0150-9

Kontakt

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