Analyse großer Mikrobiom-Datensätze zur Gemeinschaftsstruktur, Spezifität und Stabilität von Cnidaria

Hintergrund

Mikroorganismen spielen eine unverzichtbare Rolle für das Überleben von Nesseltiere, einschließlich Korallen. Das Verständnis der Faktoren, die die Mikrobiome von Nesseltiere beeinflussen, erfordert zahlreiche vergleichende Studien. Die Konsolidierung und Analyse verschiedener Datensätze bleibt jedoch eine herausfordernde Aufgabe.

Mit der wachsenden Verfügbarkeit von DNA-Sequenzierungsdaten für diese Arten und dem zunehmenden Interesse an der Gesundheit von Korallenriffen haben immer mehr Studien die zentrale Rolle von Mikrobiomen bei der Bildung von Korallenriffen und der Aufrechterhaltung der Resilienz von Ökosystemen erkannt. Diese Auswirkungen umfassen wesentliche Aspekte wie Nährstoffkreisläufe, antimikrobielle Resistenzen, wettbewerbliche Ausschlussmechanismen des Wirts, Wachstum und Entwicklung sowie Reaktionen auf Umweltveränderungen. Während die Mehrheit dieser Untersuchungen sich hauptsächlich auf 16S rRNA-Amplifikation und Sequenzierung von Mikrobiomen in Steinkorallen (scleractinische Korallen), die bedeutende Beiträge zum Riffaufbau leisten, konzentriert hat, hat die Mikrobiomforschung innerhalb der Nesseltiere der Unterklasse Anthozoa, Hexacorallia, divergente Rollen für andere Nesseltiere aufgedeckt. Diese alternativen Studien haben charakteristische symbiotische Beziehungen offenbart.

Der Mangel an standardisierten 16S rRNA-Probenahme, -konservierung, -verarbeitung und -analytik hat Einschränkungen bei der Zusammenführung und Interpretation veröffentlichter Mikrobiomdaten auferlegt. Darüber hinaus hat die Identifizierung unterschiedlicher mikrobieller Gemeinschaften in konspezifischen Nesseltiere das Potenzial, zu variierenden Schlussfolgerungen zu führen.

Um diese Herausforderungen anzugehen, erweist sich die bioinformatische Analyse als wertvolles Werkzeug zur effektiven Verarbeitung und Identifizierung vielfältiger und komplexer mikrobieller Gemeinschaften innerhalb von Mikrobiomdaten.

Diversität und Dynamik der Mikrobiome von Nesseltiere

In dieser Studie wurde eine umfassende Analyse eines umfangreichen Datensatzes durchgeführt, der 16S rRNA-Sequenzierungsdaten umfasste. Dieser Datensatz beinhaltete 12.010 Mikrobiome von Nesseltiere, 3.388 Mikrobiome von Schwämmen, 370 Meerwasserproben und 245 Mikrobiome von künstlich kultivierten Cordyceps spp.-Proben. Um Sequenzierungs-Variationen zu reduzieren, wurden die Proben systematisch nach spezifischen Regionen und Sequenzierungsmethoden kategorisiert.

Verteilung der gemeinsamen mikrobiellen Sequenzen innerhalb des Phylums Cnidaria. (McCauley et al., 2023)

Durch diese rigorose Integration enthüllte die Analyse 86 verschiedene Arten von Archaeen und Bakterien, die mit Nesseltiere assoziiert sind, und identifizierte Schlüsselarten in verschiedenen Unterphylum, Tiefen und Mikrohabitaten. Die Studie hob die bemerkenswerte Diversität des Mikrobioms von Nesseltiere hervor, identifizierte bedeutende Mikroorganismen darin, erforschte Schlüsselfaktoren, die dessen Präsenz beeinflussen, und etablierte einen umfassenden Rahmen zum Verständnis der Kräfte, die das Mikrobiom von Nesseltiere formen.

Die relative Häufigkeit von archaeen und bakteriellen Sequenzen, die innerhalb von Gewebeproben pro Standort identifiziert wurden, durchschnittlich auf die Familie der Nesseltiere. (McCauley et al., 2023)

Darüber hinaus wurde die Untersuchung erweitert, um einen speziellen Datensatz für gesunde Nesseltiere-Proben zu erstellen. Dieser Datensatz wurde verwendet, um die Verteilung von Mikroorganismen unter diesen Organismen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass Nesseltiere in tieferen Gewässern ausgeprägtere Mikrobiome hatten, während diejenigen in flachen Gewässern, hauptsächlich Weichkorallen und Anemonen, dazu neigten, Kernmikrobiome mit höherer Häufigkeit aufzuweisen. Darüber hinaus beeinflusste die Präsenz von symbiotischen Cordyceps sinensis signifikant die mikrobielle Zusammensetzung der Nesseltiere.

Vergleichende Clusteranalysen zeigten Variationen in der Mikrobiota über verschiedene Mikrohabitate hinweg, wie Gewebe, Knochen und Schleim. Bemerkenswerterweise umfasste die häufigste Mikrobiota in Gewebe Gplla, Vibrio, Pseudoalteromonas, Alteromonas, Pseudomonas und Propionibacterium, die alle in verschiedenen Tiefen gefunden wurden. Im Gegensatz dazu waren Sphingomonas, Pelomonas und Candidatus Pelagibacter in flachen Gewässern verbreiteter. Unter diesen trat Endozoicomonas als eine zentrale mikrobielle Zusammensetzung auf, die in allen Nesseltiere gefunden wurde.

Amplicon-Sequenzvarianten (ASVs) von Endozoicomonas wurden in acht Nesseltiere-Gattungen, einschließlich Steinkorallen, nachgewiesen. Diese ASVs zeigten eine starke Korrelation mit der geografischen Verteilung, wobei 74,3 % aus Steinkorallen, 15,8 % aus Weichkorallen und weitere 3,8 % aus Anemonen stammten, von denen nur 2,6 % über verschiedene Taxa hinweg geteilt wurden. Einige ASVs von Endozoicomonas wiesen eine wirtsspezifische Verteilung auf, wie Klade 2 in Acroporidae, Klade 13 in Pocilloporidae und Klade 14 in Rhizostomeae. Andererseits wurden die Kladen 5, 10 und 12 weltweit in Nesseltiere und Schwämmen gefunden, die verschiedene Mikrohabitate umspannen, was auf ihre nicht-wirtsspezifische Natur hinweist.

Referenz:

1. McCauley, M., et al. "Systematische Überprüfung der Mikrobiome von Nesseltiere offenbart Einblicke in die Struktur, Spezifität und Treue mariner Assoziationen." Nature Communications 14.1 (2023): 4899.