Neue Arten entdeckt: Mikroparasiten tragen zur Stabilität des Ökosystems im Regenwald bei

21.03.2017
Micah Dunthorn (TU Kaiserslautern)
Micah Dunthorn (TU Kaiserslautern)

Der tropische Regenwald zählt zu den artenreichsten Gebieten der Erde. Hier leben Tausende von Insekten-, Vogel- und Säugetierarten. Auch kleinere Organismen, mit bloßem Auge nicht sichtbar, sind hier heimisch, etwa sogenannte Protisten. Sie leben unter anderem in den Böden der Wälder. Ein internationales Forscherteam, an dem auch Wissenschaftler des HITS beteiligt waren, untersuchte sie genauer und analysierte ihr Genom. Dabei entdeckten die Forscher viele unbekannte Arten, darunter auch Parasiten, die wahrscheinlich zur Stabilität des Ökosystems im Regenwald beitragen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Ecology and Evolution“ veröffentlicht.

Insekten und andere Gliederfüßer wie Spinnen und Krebstiere stellen die größte und vielfältigste Gruppe von Lebewesen in tropischen Regenwäldern dar. Davon ging die Wissenschaft bislang aus. „Die Ergebnisse unserer Studie stellen dies jedoch in Frage“, sagt Erstautor Micah Dunthorn von der TU Kaiserslautern, dessen Forschung im Rahmen des Emmy Noether-Programms der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird. „Es gibt möglicherweise Hunderttausende verschiedener Insektenarten auf einem einzigen Hektar Regenwald, aber die Anzahl der Protisten dürfte noch größer sein.“ Unter dem Begriff Protisten fasst die Forschung eine Gruppe diverser, winzig kleiner Lebewesen zusammen, die überall auf der Erde vorkommen.

Dunthorn und seine Kollegen haben Bodenproben im Flachland der Regenwälder von Costa Rica, Panama und Ecuador gesammelt und sie anschließend nach Deutschland gebracht. Gemeinsam mit den Kollegen Alexandros Stamatakis, Lucas Czech sowie Alexey Kozlov von der Scientific Computing Gruppe am HITS (Heidelberger Institut für Theoretische Studien) haben die Wissenschaftler um Dunthorn die DNA der darin enthaltenen Mikroorganismen isoliert und analysiert.
„Wir haben insgesamt über 130 Millionen DNA-Sequenzen untersucht. Das stellt für die Bioinformatik nach wie vor eine Herausforderung dar“, so Lucas Czech (HITS). Ein erster direkter Vergleich mit den Sequenzdaten bereits bekannter Arten ergab, dass die Mehrheit zu völlig neuen, noch unbekannten Spezies gehört.
Anhand einer detaillierten Analyse des genetischen Materials konnten die Forscher die neuen Arten mit hoher Wahrscheinlichkeit richtig in verwandtschaftliche Verhältnisse einordnen. Dazu haben sie ein bereits existierendes Verfahren angepasst. „Mittels der sogenannter phylogenetischen Platzierungen konnten wir fast alle Sequenzen identifizieren“, fährt der Kaiserslauterer Biologe fort. Die phylogenetische Systematik beschreibt die evolutionären Beziehungen der Lebewesen untereinander. Evolutionsbiologen untersuchen diese Zusammenhänge etwa anhand der Gene. Auch in der aktuellen Studie konnten die Arten dank der DNA-Sequenzen einsortiert werden.
Dabei wurde ein Algorithmus eingesetzt, welcher die digitalisierten DNA-Sequenzen in Stammbäume platziert, die bereits bekannte Arten enthalten. „Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass diese Art der Identifikation die evolutionäre Geschichte der Organismen berücksichtigt“, sagt HITS-Bioinformatiker Alexandros Stamatakis, der zugleich auch Lehrstuhlinhaber am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist. Damit konnten die Bioinformatiker die enormen Datenmengen analysieren, welche durch moderne Sequenzanalysemaschinen generiert werden. Nur aufgrund der Modifikation und Anwendung des bereits bestehenden Algorithmus war es möglich, die Sequenzanalysen des Genmaterials aus den verschiedenen Bodenproben überhaupt durchzuführen.
In den Bodenproben aus den Regenwäldern befanden sich vor allem Protisten. „Die meisten davon zählen zu einer Gruppe von einzelligen Tierparasiten, den Apicomplexa“, nennt Dunthorn ein Ergebnis der Studie. Die Forscher vermuten, dass diese Parasiten möglicherweise zur Artenvielfalt der Tiere in diesen Wäldern beitragen. „Sie könnten das Wachstum von Tierpopulationen durch Infektionen beschränken“, sagt der Biologe. Die Ergebnisse zeigen darüber hinaus, wie komplex die Zusammenhänge im Ökosystem der tropischen Regenwälder sind. Hier spielen nicht nur Säugetiere, Vögel, Insekten, sondern auch eine Vielzahl von Mikroorganismen eine wichtige Rolle.

SuperMUC (Johannes Naumann/LRZ)
SuperMUC (Johannes Naumann/LRZ)

Um die Millionen von Sequenzen mittels phylogenetischer Platzierungen zu klassifizieren, hat das Team den  Höchstleistungsrechner „SuperMUC“ am Leibniz Rechenzentrum in München benutzt.
Die Forscher haben für ihre Analysen etwa 1 Million Prozessorstunden auf dem SuperMUC verbraucht. „Ohne die hervorragende Infrastruktur für das Höchstleistungsrechnen in Deutschland, und insbesondere am LRZ, hätte man diese Studie nicht durchführen können. Die Verfügbarkeit des SuperMUC stellt einen wesentlichen internationalen Wettbewerbsvorteil dar“, so Alexandros Stamatakis. Er  war bereits 2014 an der Berechnung eines Stammbaumes von Insekten beteiligt, die es damals auf die Titelseite von Science schaffte. Im Rahmen seines Projektes auf dem SuperMUC berechnete er anschließend auch einen Stammbaum von Vögeln. Im Laufe der Jahre gelang es dem Team um Stamatakis, die Algorithmen so zu verbessern und die Berechnungen derart zu beschleunigen, dass die jetzige Untersuchung der Regenwald-Mikroben möglich wurde. Gegenwärtig arbeitet die Gruppe an einem neuen Parallelisierungsansatz für ihre Software, die zehn Mal größere Datensätze als in der aktuellen Studie wird handhaben können.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nature Ecology and Evolution“ veröffentlicht: Mahé et al. (2017). Parasites dominate hyperdiverse soil protist communities in Neotropical rainforests. Nature Ecology and Evolution 1:09. DOI: 10.1038/s41559-017-0091

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