Marine Plattwürmer mit chemoautotrophen Symbionten

Alle bisher bekannten Arten der marinen Platyhelminthen-Gattung Paracatenula (Catenulida) besitzen keinen Mund und der Darm ist zu einem Gewebestrang, der intrazelluläre Bakterien enthält, umgewandelt. Die Art P. ruetzleri aus karibischen Korallensanden enthält chemoautotrophe Schwefel-oxidierende Alphaproteobakterien, die nahezu 50 % der Biomasse des symbiotischen Konsortiums ausmachen. Paracatenula-Arten wurden in einer Vielzahl von Probenorten in warm-temperierten bis tropischen Meeren gefunden. In diesem Projekt soll die Diversität, Verbreitung und Aspekte der Ökologie und Evolution dieser Symbiose in der Karibik, dem Roten Meer, dem Indopazifik und dem Mittelmeer untersucht werden. Der Wirt und die bakteriellen Symbionten sollen mit konventioneller Lichtmikroskopie, TEM und den Sequenzen ausgewählter Gene charakterisiert werden. Über die Aufnahme von anorganischem 14C soll möglicher Transfer organischer Substanz von den chemoautotrophen Mikroorganismen zu den mundlosen heterotrophen Wirten untersucht werden. Die Weitergabe der Symbionten innerhalb des Trophosoms und an die nächste Wirtsgeneration soll mit in-situ Hybridisierung und immunozytochemischen Methoden erforscht werden.

Seichte marine Sandböden wirken oberflächlich oft wüstenhaft leer, ihr Lückenraumsystem ist jedoch von Bakterien, Einzellern und einer vielfältigen mikroskopischen Tierwelt bewohnt. Vertreter dieser Sandlückenfauna sind wenige Millimeter lange, mund- und darmlose Plattwürmer der Gattung Paracatenula, die sowohl in tropischen Meeren als auch im Mittelmeer vorkommen. Schon bei der Entdeckung von Paracatenula in den frühen 1970er Jahren war es ein Rätsel, wie sie sich ohne Mund und Darm ernähren können. Ähnlich wie bei den über einen Meter großen mundlosen Riesenröhrenwürmern, die man an heißen Quellen in der Tiefsee entdeckt hatte leben alle Arten von Paracatenula jedoch in einer Symbiose mit intrazellulären Bakterien, die Schwefelverbindungen oxidieren und mit Hilfe der daraus gewonnenen Energie anorganischen Kohlenstoff binden und so Biomasse aufbauen können. Durch die hohe Produktivität der Symbionten können sich ihre Wirte komplett von ihnen ernähren. Seither hat man bei Vertretern verschiedener Tiergruppen Symbiosen dieser Art gefunden. Im Gegensatz zur hohen Diversität der Wirte war die Diversität der Symbionten bisher auf zwei Klassen, die Gamma- und Epsilon-Proteobakterien, beschränkt. Die Symbionten von Paracatenula sind jedoch Alpha-Proteobakterien. Zu diesen gehören wichtige intrazelluläre Symbionten, wie die Stickstoff fixierenden Knöllchenbakterien der Leguminosen oder die Mitochondrien. Jedoch auch gefährliche Krankheitserreger wie die Erreger des Fleckfiebers gehören in diese Klasse. Studien der letzten Jahre zeigten immer deutlicher, dass die Mechanismen in symbiotischen und pathogenen Beziehungen ähnlich oder sogar identisch sind. Hier könnten sich bei zukünftigen Projekten mit Paracatenula und ihren Riegeria genannten Symbionten grundlegende Einsichten ergeben, welche Mechanismen es Alpha-Proteobakterien mehrfach erlaubt haben, eine intrazelluläre Lebensweise zu etablieren. Ein weiteres faszinierendes Detail an der Paracatenula-Riegeria-Symbiose ist, dass die Bakterien, welche in spezialisierten Zellen, den Bakteriozyten, leben, bis zu 50 Prozent der Gesamtbiomasse des Tier/Mikroben-Konsortiums ausmachen. Das ist deutlich mehr als in allen anderen bekannten Symbiosen zwischen Tieren und Bakterien. Mit aus Gensequenzen der Symbionten abgeleiteten Bakterienstammbäumen konnte eine grobe Altersbestimmung der Symbiose durchgeführt werden. Diese ergab, dass die beiden Partner schon seit etwa 500 Millionen Jahren verbunden sind, länger. In dieser langen Zeit haben die Würmer nie ihre Symbionten gewechselt, wie ein Vergleich der Stammbäume von Würmern und Bakterien zeigt, die einander perfekt entsprechen. Die Weitergabe der Symbionten erfolgt im Zuge der asexuellen Vermehrung der Würmer durch Teilung (Paratomie) bei der die Symbionten nie die Zellen ihres Wirtes verlassen.