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Emergence of pathogenicity in the sea: altered host-microbe interactions in the face of environmental change

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Die Rolle der aquatischen Wirt-Mikroben-Interaktion bei der Entstehung von Pathogenen

Krankheitsausbrüche bei aquatischen Organismen nehmen immer mehr zu, höchstwahrscheinlich aufgrund des Klimawandels und der Eutrophierung. Um den Verlust einer der wichtigsten Ressourcen des Planeten zu verhindern, bedarf es möglicherweise weiterer Einsichten über die Wirt-Mikroben-Interaktionen, welche die Gesundheit von Organismen garantieren, aber auch zur Entstehung von Pathogenen beitragen können.

Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Es kommt bei mehreren wichtigen Tierarten und aquatischen Organismen, darunter Säugetiere und Korallen, zunehmend zu Krankheiten. Das rasche Verschwinden von Arten, die einst häufig waren, wie die schwarze Abalone-Meeresschnecke Haliotis cracherodii oder die Auster Crassostrea virginica, weisen auf ein Ungleichgewicht im Ökosystem, die Einführung eines Pathogens oder beides hin. Eutrophierung (Abflüsse von Abwässern und aus der Landwirtschaft), weltweit steigende Temperaturen (aufgrund des Klimawandels), Umweltverschmutzung, die Invasion neuer bzw. exotischer Arten und die Zerstörung von Küstenlebensräumen sind alle Stressfaktoren. Es herrscht jedoch ein Mangel an Daten über die Verbindung zwischen diesen Faktoren und der Gesundheit von Meeresorganismen. Allerdings gibt es immer mehr Belege, die Krankheiten mit der Diversität im Mikrobiom eines Organismus in Verbindung bringen. Die Mikroflora stärkt die Wirtfunktion und trägt zur Leistungsfähigkeit und Gesundheit des Wirts bei – wenn das Gleichgewicht zwischen dem Wirt und seiner kolonisierenden Mikroflora gestört wird, scheint dies Krankheiten zu fördern.

Gestörte Beziehungen

Das EU-finanzierte Projekt MICROCHANGE (Emergence of pathogenicity in the sea: altered host-microbe interactions in the face of environmental change), das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert wurde, untersuchte die Seeanemone Nematostella vectensis als Wirt sowie ihre assoziierten Mikroben mit einem Schwerpunkt auf die Bakterienfamilie der Vibrionen. Vibrionen sind für Tiere der Aquakultur wie Krebse und Garnelen bedrohliche Pathogene. Manche Stämme können auch beim Menschen zu schweren Krankheiten wie Gastroenteritis führen. Darüber hinaus gehören 50 % der Korallenpathogene zur Familie der Vibrionaceae. Zwar sind Vibrionen eigentlich Symbionten verschiedener Wirbeltier- und wirbelloser Wirte – wie Fische, Seeanemonen, Schwämme, Mollusken und Zooplankton –, es gibt jedoch Indizien, dass sie unter bestimmten Umständen zu Pathogenen werden können. Für die Untersuchungen von MICROCHANGE diente die Seeanemone Nematostella vectensis als Modellsystem, da sie in europäischen Küstenmündungen weit verbreitet ist und sich gut zur Verwendung im Labor eignet. Außerdem wurden in der Vergangenheit bereits erfolgreich Vibrionen von dieser Art isoliert. Nachdem die Struktur der Vibrionenpopulation in freier Wildbahn bestimmt wurde, führte MICROCHANGE Laborversuche durch, um die Stabilität der Wirt-Mikrobiom-Beziehung unter dem Einfluss verschiedener umweltbedingter Stressfaktoren zu untersuchen. Um die Auswirkungen von Ernährungsstress festzustellen, wurde der Süßwasserpolyp Hydra vulgaris verwendet, um Zellen mit einer mehrschichtigen mit Kohlenstoff angereicherten Ummantelung auszunutzen, die als Lebensraum für ein einfaches, aber grundlegendes Mikrobiom dienen. Nachdem die Tiere nährstoffreichen Umgebungen ausgesetzt wurden, verfolgten die Forscher die Änderungen der Zusammensetzung (unter Verwendung der Hochdurchsatz-Illuminasequenzierung des 16S-rRNA-Gens) sowie der Dichte (unter Verwendung der Plattierung) ihrer Mikrobiome. „Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass die mikrobielle Populationsdichte ein grundlegender Indikator der Gesundheit des Wirtes ist und dass Ernährungsstress zu Veränderungen im Mikrobiom beiträgt, die mit der Verschlechterung der Gesundheit des Wirtes zusammenhängen könnten“, so der Marie-Skłodowska-Curie-Forscher Dr. Peter Deines. Die wichtigste Implikation der Ergebnisse von MICROCHANGE ist, dass veränderte Umweltbedingungen zu einer Dysbiose führen können, die die Widerstandsfähigkeit eines Mikrobioms gegenüber Invasoren erheblich senkt, was wiederum zur Entstehung von Pathogenen führen könnte.

Die hohen Standards der EU für Lebensmittelsicherheit und Umweltschutz aufrechterhalten

Krankheiten bei Wassertieren können sich direkt auf den Menschen auswirken, nicht nur aufgrund höher Gesundheitsrisiken, sondern auch wegen der wirtschaftlichen und sozialen Kosten, die mit einer verminderten Produktivität des Ökosystems einhergehen. Aus einem tieferen Verständnis der Prozesse, die gesunden Mikrobiomen und der Entstehung von Pathogenen zugrunde liegen, können sich Strategien für Wasser- und Ökosysteme ergeben, um sich gegen den Klimawandel zu wappnen. „Wir können direkt vor unserer Haustür Verbindungen zwischen Umweltveränderungen und einer zunehmenden Zahl von Krankheiten beobachten. Beispielsweise gingen übermäßig hohe Temperaturen in der Ostsee mit ungewöhnlich vielen Infektionen durch Vibrionen einher. Ein Verständnis dieser Verbindungen trägt zur Vision von EuroMarine einer blauen Wissenschaft für blaues Wachstum bei“, so der Organisator des Projekts Prof. Thomas Bosch.

Schlüsselbegriffe

MICROCHANGE, Mikrobiom, Pathogen, aquatisch, meeresbezogen, Krankheit, Wirt, Seeanemone, Vibrionen, Organismus, Stressfaktor

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