In einem bedeutenden wissenschaftlichen Fortschritt haben Forscher einen globalen Genom-Atlas entwickelt, der das bisher verborgene Leben in Süßwasserseen aufdeckt. Diese umfassende Untersuchung basiert auf DNA-Daten aus 362 Seen und Stauseen in 28 verschiedenen Ländern und bietet einen tiefen Einblick in die Mikroeukaryoten, winzige Organismen, die eine entscheidende Rolle im aquatischen Ökosystem spielen.
Mikroeukaryoten, zu denen unter anderem Algen und Amöben gehören, sind essentielle Bestandteile der aquatischen Nahrungsnetze. Sie tragen zur Reinigung des Wassers bei, indem sie Sonnenlicht in Energie umwandeln und Bakterien fressen. Diese Organismen sind nicht nur für das Ökosystem von Bedeutung, sondern auch für die größeren Tiere, die sich von ihnen ernähren. Wenn das Gleichgewicht dieser mikroskopisch kleinen Lebensformen gestört wird, kann dies katastrophale Folgen haben. Ein Beispiel hierfür ist die tödliche Blüte einer giftigen Mikroalge im Jahr 2022, die am Oderfluss zu einem massiven Fischsterben führte.
Traditionell erfolgt die Überwachung dieser Organismen durch manuelles Zählen unter dem Mikroskop, eine Methode, die seit den 1950er Jahren unverändert blieb. Dieses Verfahren hat jedoch gravierende Nachteile: Es ist zeitaufwendig, von der Expertise weniger Spezialisten abhängig und anfällig für Fehler. Adrian-Stefan Andrei, der Leiter der Forschungsgruppe Microbial Evogenomics an der Universität Zürich, betont die Schwierigkeiten bei der Unterscheidung zwischen harmlosen und giftigen Algen, die unter dem Mikroskop identisch aussehen können. Hier könnte die DNA-Analyse entscheidende Vorteile bieten, da sie eine präzisere Identifikation ermöglicht.
Eine der Herausforderungen in der Mikroeukaryotenforschung war das Fehlen einer umfassenden genetischen Referenzbibliothek. Viele Arten waren bis dato unbekannt und konnten nicht kategorisiert werden. Um diese Lücke zu schließen, analysierte das Forschungsteam etwa 3.400 DNA-Datensätze und rekonstruierte fast 20.000 Genome von rund 3.660 Arten. Dies führte zur Erstellung des ersten globalen Genom-Atlas für Süßwasser-Mikroeukaryoten. Die Ergebnisse sind beeindruckend: Bei mehreren Algenarten identifizierten die Forscher sechs bis über zwanzigmal mehr Arten als in der führenden genetischen Referenzdatenbank verzeichnet sind. Dennoch konnten weniger als fünf Prozent der Genome bekannten Gattungen zugeordnet werden, und etwa 750 Arten blieben unklassifiziert. Dies verdeutlicht die beträchtlichen Wissenslücken, die in der Forschung noch bestehen.
Ein weiterer innovativer Aspekt dieser Studie ist die Methodik zur DNA-Analyse. Anstatt einen gezielten molekularen „Köder“ zu verwenden, der nur bestimmte Gruppen erfasst, beginnt die neue Methode mit einer einfachen Wasserprobe. Diese wird gefiltert, und die gesamte DNA, die im Filter zurückbleibt, wird sequenziert. Ein maschinelles Lernwerkzeug trennt dann die mitochondrialen DNA-Abschnitte heraus, die sich leichter analysieren lassen und sich schneller evolutionär verändern. Dies ermöglicht eine präzisere Unterscheidung zwischen nah verwandten Arten.
Das Team hat zudem klare Standards entwickelt, um eine einheitliche Zählung der Arten weltweit zu gewährleisten. Ein Genom wird als zu einer Art gehörend betrachtet, wenn es zu mindestens 98,1 Prozent übereinstimmt. Mit der wachsenden Datenbasis des Atlas wird es künftig einfacher, neue Wasserproben zu analysieren und zu vergleichen.
Der Genom-Atlas hat das Potenzial, die Überwachung von Gewässern erheblich zu verbessern. Durch eine DNA-basierte Analyse der Mikroeukaryoten können Veränderungen in den Ökosystemen schneller erkannt werden, was möglicherweise auch die rechtzeitige Identifikation von giftigen Algenblüten erleichtert. Andrei fasst die Bedeutung dieser Forschung zusammen: „In den letzten sechzig Jahren haben wir nur einen kleinen Teil der aquatischen Lebensgemeinschaften in unseren Seen erfasst. Zukünftig könnte eine einzige Wasserprobe aufzeigen, wer darin lebt, welche neuen Arten auftauchen und wie sich die Lebensgemeinschaften verändern.“
Diese bahnbrechenden Erkenntnisse könnten nicht nur zur Erhaltung der Biodiversität in unseren Gewässern beitragen, sondern auch die Grundlagen für zukünftige Umweltüberwachungsstrategien legen.
