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Das minimale Genom für die Photosynthese

12.08.2003


Genom des kleinsten und häufigsten photosynthetisierenden Organismus sequenziert


Luftbildaufnahme von Korallenriffen im Nordatlantik, nordöstlich Bermuda. Hier in der Sargassosee wurde vor 15 Jahren zum ersten Mal ein winziger einzelliger Organismus, Prochlorococcus marinus, beschrieben. Dieses z. T. auch als Mikroalge oder Picophytoplankton bezeichnete Cyanobakterium bevölkert die tropischen und subtropischen Teile der Weltmeere in unvorstellbaren Mengen Schätzungen von Meeresforschern ergaben eine Populationsgröße von wenigstens 1027 Zellen, eine 1 mit 27 Nullen. Diese Zahl bleibt etwa konstant, obwohl sich die einzelnen Zellen in dieser Population weltweit im Durchschnitt einmal pro Tag teilen. Damit leistet Prochlorococcus einen grundlegenden Beitrag am Anfang der Nahrungsketten im Ozean und zur biologischen Sauerstoffbildung. Die Genomanalyse von Prochlorococcus ist die erste derartige Untersuchung eines ökologisch hoch relevanten Organismus.



Das Genom von gleich vier marinen Cyanobakterien, das sind die häufigsten Photosynthese-betreibenden Organismen auf der Erde, wird in einer Serie von Publikationen in den online-Ausgaben der Fachmagazine Nature und Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS) in dieser Woche vorgestellt.



Genetische Untersuchungen zeigen, wie exzellent sich diese Organismen, Prochlorococcus und Synechococcus, an ihre Umwelt angepasst haben. Diese winzigen Organismen, die auch als "Mikroalgen" oder "Picophytoplankton" bekannt sind, bilden die Basis der globalen Nahrungskette im Ozean. Unter Ausnutzung der Energie des Sonnenlichtes tragen sie bis zu zwei Drittel zur biologischen CO2-Fixierung und Bildung von Sauerstoff in den Weltmeeren bei. Das Wissen über die Gesamtheit ihrer Gene (das "Genom") hilft folglich, die biologische Seite des globalen Kohlenstoffhaushaltes und der Wege des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) besser zu verstehen.

Im Ozean steht nahe der Wasseroberfläche das zur Photosynthese benötigte Sonnenlicht im Überfluss zur Verfügung, welches mit zunehmender Tiefe jedoch sehr schnell abnimmt. Das einzellige marine Cyanobakterium Prochlorococcus marinus hat zwei physiologisch unterschiedliche Formen hervorgebracht, die optimal entweder an das Leben in den sonnendurchfluteten, aber extrem nährstoffarmen Wasserschichten nahe der Wasseroberfläche angepasst sind oder an die Bedingungen in größeren Wassertiefen mit einem Mangel an Licht, aber mehr zur Verfügung stehenden Nährstoffen.

Diese Arbeiten sind das Ergebnis einer weltweiten Forschungskooperation auf der Suche nach dem kleinsten Genom für die Photosynthese. Bereits 1999 hatte das Team um Dr. Wolfgang Hess von der Humboldt-Universität zu Berlin publiziert, dass die jetzt sequenzierte Schwachlicht-adaptierte Form von Prochlorococcus marinus mit vermutlich nur 1,8 Millionen Basenpaaren, den Bausteinen der DNS, einen guten Kandidaten dafür darstellt. Die jetzt vorgestellten Arbeiten sind unter wesentlicher Beteiligung dieser Arbeitsgruppe von der Humboldt-Universität zu Berlin am Massachsetts Institute of Technology und Joint Genome Institute in den USA, bzw. am Genoscope und CNRS in Frankreich durchgeführt worden.

Tatsächlich zeigen die nun mit großem Aufwand durchgeführten Untersuchungen, dass Prochlorococcus marinus ein sehr kleines und kompakt gebautes Genom besitzt. Wie in einem begleitenden Kommentar in PNAS festgestellt wird, handelt es sich dabei um das vermutlich minimale für die Photosynthese erforderliche Genom. Geringe Zellgröße und -volumen limitieren die Genomgröße dieser Organismen. Sehr klein zu sein kann jedoch seine Vorteile haben. Je höher das Verhältnis von Zelloberfläche zu Zellvolumen ist, desto einfacher ist es, ausreichend Nährstoffe durch die Zellmembran zu bekommen - unter den nährstoffarmen Bedingungen im Ozean ein unschätzbarer Vorteil.

Der Vergleich der drei Prochlorococcus-Isolate zeigt zum ersten Mal, dass das Genom nichts Statisches, sondern in der Lage ist, sich in einem dynamischen Prozess zu verändern, um optimal an die Myriaden unterschiedlicher Selektionsdrücke angepasst zu sein.

"Genome sequence of the cyanobacterium Prochlorococcus marinus SS120, a near minimal oxyphotogrophic genome" (in PNAS) und "Genome divergence in two Prochlorococcus ecotypes reflects oceanic niche differentiation" (in Nature). Bitte beachten Sie, Ihren Beitrag nicht vor Erscheinen des Papers in NATURE am 13. August zu veröffentlichen.

Informationen Dr. Wolfgang Hess, Institut für Biologie, z. Zt. in den USA
Telefon, Fax 001-978-9275054, App. 425
E-Mail Wolfgang.Hess@rz.hu-berlin.de

Heike Zappe | idw

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