Wetenschap
Het beperkte aanpassingsvermogen maakt zoetwaterbacteriën kwetsbaar voor klimaatverandering
Zoetwaterbacteriën met kleine genomen ondergaan vaak langdurige perioden van adaptieve stagnatie. Op basis van genomische analyses van monsters uit het Meer van Zürich en andere Europese meren hebben onderzoekers van de Universiteit van Zürich specifieke evolutionaire strategieën ontdekt die de levensstijl van deze bacteriën bepalen. Het begrijpen van de evolutionaire dynamiek van microbiële gemeenschappen in het water is de sleutel tot het beschermen van ecosysteemdiensten.
De zoetwatervoorraden zijn beperkt:ze vertegenwoordigen slechts 3,5% van het water op aarde en slechts 0,25% is toegankelijk aan de oppervlakte. Niettemin zijn zoetwatermeren essentieel voor het functioneren van ecosystemen en de mondiale koolstofcyclus vanwege hun hoge biologische productiviteit en microbiële activiteit. Ze zijn van cruciaal belang voor het voortbestaan van de mens, zorgen voor drinkwater en ondersteunen de landbouw, visserij en recreatie. De klimaatverandering (met name de stijgende temperaturen) bedreigt deze habitats echter door microbiële gemeenschappen te ontwrichten die essentieel zijn voor de nutriëntenkringloop en het behoud van de waterkwaliteit.
"Gezien de essentiële rol die bacteriesoorten spelen in zoetwateromgevingen en hun vitale ecologische functies, is het begrijpen van hun aanpassingsvermogen aan veranderende omgevingsomstandigheden cruciaal voor de veerkracht van ecosystemen en duurzaam beheer van hulpbronnen", zegt Adrian-Stefan Andrei. Hij is hoofd van het Microbiële Evogenomics Laboratorium bij de afdeling Planten- en Microbiële Biologie van de Universiteit van Zürich (UZH).
Zijn onderzoeksteam analyseerde tijdreeksmonsters van vijf Europese zoetwatermeren, verzameld tussen 2015 en 2019:het Meer van Zürich, het Thunmeer en het Bodenmeer in Zwitserland, samen met het Římov-reservoir en de Jiřická-vijver in Tsjechië. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .
"Hoewel niche-aanpassing het belangrijkste evolutionaire mechanisme is dat populatiediversificatie en de opkomst van nieuwe soorten aanstuurt, laten onze resultaten verrassend zien dat veel overvloedige zoetwaterbacteriën met kleine genomen vaak langere perioden van adaptieve stilstand ervaren", zegt Andrei.
Deze vertraging van adaptieve processen daagt de conventionele verwachting uit dat microbiële soorten zich kunnen aanpassen aan veranderende omgevingsomstandigheden.
"Gezien de vitale functies die deze microbiële gemeenschappen spelen in zoetwatersystemen, onderstreept ons onderzoek het belang van het begrijpen van de grenzen van het bacteriële aanpassingsvermogen", voegt de onderzoeker eraan toe.
Uitgescheiden eiwitten als indicatoren voor evolutionaire aanpassing
Bacteriën passen zich aan hun omgeving aan door gebruik te maken van gespecialiseerde eiwitten, die kunnen worden uitgescheiden in het omringende medium of aan hun celmembranen kunnen worden gebonden. Deze eiwitten spelen een cruciale rol bij de opname van voedingsstoffen, interbacteriële communicatie en de detectie van en reactie op omgevingsstimuli. Het aanpassingsvermogen van bacteriën is doorgaans afhankelijk van de genetische diversiteit binnen de genen die voor deze eiwitten coderen.
De onderzoekers laten nu echter zien dat er in overvloedige zoetwaterbacteriën met kleinere genoomgroottes verrassend weinig variatie is in deze genen, wat wijst op een fase van adaptieve stagnatie. Deze bacteriën kunnen daarom met uitdagingen worden geconfronteerd bij het aanpassen aan veranderende omgevingsomstandigheden.
Beperkt vermogen om zich aan te passen aan veranderende omgevingen
"Onze waarnemingen suggereren dat deze bacteriën waarschijnlijk fitnesspieken hebben bereikt door ideale eiwitstructuren en activiteitsniveaus te bereiken", zegt Andrei.
Hun proteomen hebben in de loop van de evolutie al een optimale staat bereikt, waarin verdere grote veranderingen noch voordelig noch noodzakelijk zijn voor de organismen om te overleven en zich aan te passen aan hun huidige niches. Deze inherente inflexibiliteit beperkt het vermogen van deze organismen om nieuwe genetische variatie te onderzoeken en zich effectief aan te passen aan dynamische omgevingsomstandigheden.
"Deze kennis is van cruciaal belang als we het hoofd moeten bieden aan de escalerende gevolgen van de klimaatverandering, die een aanzienlijke bedreiging vormt voor zoetwaterhabitats – omgevingen die bijzonder gevoelig zijn voor antropogene veranderingen", besluit Andrei.