Globaler Genom-Atlas enthüllt das verborgene Leben in Seen

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Winzige Einzeller säubern das Wasser, können es aber auch vergiften.
Forschende haben nun anhand von DNA-Daten aus 362 Seen den ersten globalen
Genom-Atlas erstellt. Damit legen sie den Grundstein für eine bessere
Überwachung von Gewässern.

In einem einzigen Tropfen Seewasser wimmelt es von Leben, das für das
blosse Auge unsichtbar ist: Es tummeln sich mikroskopisch kleine Algen und
ihre Verwandten wie etwa Amöben. Diese winzigen Einzeller – auch
«Mikroeukaryoten» genannt – wandeln Sonnenlicht in Nahrung um, fressen
Bakterien, halten das Wasser sauber und dienen Kleintieren als Futter, von
denen sich wiederum Fische ernähren. Gerät dieses Ökosystem im Gewässer
aus dem Gleichgewicht, kann es tödlich enden: 2022 verursachte die Blüte
einer giftigen Mikroalge am deutsch-polnischen Grenzfluss Oder den Tod von
rund 360 Tonnen Fisch.

Zur Überwachung werden diese Organismen einzeln unter dem Mikroskop
gezählt – eine Methode aus dem Jahr 1958. Das ist langsam, hängt vom
Wissen weniger Fachleute ab und kann fehlerhaft sein. «Unter dem Mikroskop
können eine harmlose Alge und ihre giftige Verwandte identisch aussehen»,
sagt Adrian-Stefan Andrei, Leiter der Forschungsgruppe Microbial
Evogenomics an der Limnologischen Station der Universität Zürich (UZH).
«Ihre DNA ist wahrscheinlich der Schlüssel, um sie voneinander
unterscheiden zu können.»  Allerdings gibt es für Mikroeukaryoten noch
keine umfangreiche genetische Referenzbibliothek, mit der man vergleichen
könnte.

Die meisten Arten waren genetisch unbekannt

Um hier Abhilfe zu schaffen, wertete das Team um Letztautor Andrei
weltweit 3’400 DNA-Datensätze aus 362 Seen und Stauseen in 28 Ländern aus.
In einer umfassenden internationalen Zusammenarbeit rekonstruierten die
Forschenden fast 20’000 Genome der Mitochondrien, den Zell-Kraftwerken,
von rund 3’660 Arten. Daraus entstand der erste globale Genom-Atlas dieser
mikroskopisch kleinen Lebewesen in Seen und Stauseen. Der Atlas offenbart
eine bislang weitgehend unbekannte Artenvielfalt: Für mehrere Algengruppen
und ihre Verwandten erfassten die Forschenden sechs- bis über zwanzigmal
so viele Arten, wie in der weltweit führenden genetischen
Referenzdatenbank verzeichnet waren.

Allerdings liess sich weniger als jedes zwanzigste Genom einer bekannten
Gattung zuordnen und rund 750 Arten konnten keiner bekannten Gruppe
zugewiesen werden. «Das zeigt, wie gross unsere Wissenslücken noch sind»,
hält Erstautor Lucas Serra Moncadas fest. «Ein grosser Teil der
Artenvielfalt, die unsere Seen am Laufen hält, ist uns bis heute schlicht
verborgen geblieben und wurde nie erfasst.»

Von der Wasserprobe zur Artenliste

Herkömmliche DNA-Tests nutzten bisher einen molekularen «Köder», der nur
die Gruppen erfasst, für die er entwickelt wurde. So können andere
Organismen unentdeckt bleiben. Die in dieser Studie verwendete Methode
funktioniert anders: Sie beginnt mit einer einfachen Wasserprobe. Das
Wasser wurde gefiltert, und die gesamte DNA, die im Filter hängen bleibt,
konnte auf einmal sequenziert werden. Ein Tool auf Basis von maschinellem
Lernen filterte dann die DNA der Mitochondrien heraus. Das hat Vorteile:
Die DNA ist klein, lässt sich leichter zusammensetzen und verändert sich
im Lauf der Evolution meist schneller als die DNA im Zellkern, sodass sich
selbst nahe verwandte Arten von Mikroeukaryoten deutlich unterscheiden.

Das Team legte zudem klare Richtlinien fest, damit sich die Arten in jedem
See, zu jeder Jahreszeit und in jeder Studie weltweit gleich zählen
lassen. Zwei mitochondriale Genome, die zu mindestens 98,1 Prozent
übereinstimmen, gehören zur selben Art. Je grösser dieser Atlas wird,
desto vollständiger wird der DNA-Pool und desto schneller lassen sich neue
Wasserproben abgleichen.

Überwachung weltweit möglich

Der Genom-Atlas soll künftig auch die Überwachung von Gewässern
vereinfachen: Durch eine DNA-basierte Kontrolle der Mikroeukaryoten könnte
auf überhitzte oder verschmutzte Gewässer rascher reagiert werden. Auch
Fälle von giftigen Algen wie an der Oder könnten rechtzeitig erkannt
werden. «Seit mehr als sechzig Jahren sahen wir in den Seen und Stauseen,
die mehr als 180 Millionen Europäerinnen und Europäer mit Trinkwasser
versorgen, nur einen Bruchteil der aquatischen Lebensgemeinschaften»,
fasst Andrei zusammen. «Bald könnte eine einzige Flasche Seewasser zeigen,
wer darin lebt, was neu ist und was sich verändert.»