Die Rolle von Mikroorganismen bei der Verwertung von Beute in Karnivoren

[AntonKubala]

Moin,

Ich bin Mikrobiologe und Fleischi- Verrückter, deshalb interessiert mich schon lange die Rolle von Bakterien und anderen Mikroorganismen in Karnivoren. Ich hatte am Wochenende Langeweile und Zeit und habe deshalb mal etwas dazu zusammengeschrieben für Leute hier im Forum die das eventuell auch interessieren könnte.

 

Karnivoren haben im Laufe von Jahrmillionen effiziente und vielseitige Wege gefunden in ihrer jeweiligen (meist Nährstoffarmen) Nische zu überleben. Um die gefangene Beute auch verwerten zu können muss die Fliege durch Enzyme z.b. Chitinasen (zerlegen den Chitin Panzer des Insekts), Lipasen (zersetzen Fett) und Proteinasen (zersetzen die Proteine der Beute in handliche Aminosäuren). Die meisten Karnivoren produzieren ihre eigenen Enzyme aber einige Arten brauchen einen „Mitbewohner“ um Ihre Beute nutzen zu können. Das bekannteste Beispiel dafür ist Roridula gorgonias und R. dentata die auf die auf Ihre lebenden Wanzen angewiesen ist die Beute zu fressen, zu verdauen und aus den Ausscheidungen gewinnt die Pflanze die Nährstoffe die Sie zum Wachsen braucht.

 

Deutlich weniger bekannt ist das Pflanzen wie z.b. (Nepenthes) produziert eigene Enzyme, Heliamphora, Sarracenia und Brocchinia entweder komplett oder zumindest teilweise auf Bakterien angewiesen sind die die Beute zersetzen und der Pflanze ermöglichen die Nährstoffe aufzunehmen. Ich will hier kurz das bisschen Wissen zusammentragen das zu diesem Thema bekannt und veröffentlicht ist (es ist nicht sehr viel).

 

Zusammensetzung der Fallenflüssigkeit:

Die Zusammensetzung der Flüssigkeit in den Kannen, Krügen oder Schläuchen ist sehr unterschiedlich. Eine Gemeinsamkeit ist das der pH wert generell niedrig oder sehr niedrig ist. Auch scheint der pH wert in einigen Nepenthes Arten zu sinken, wenn ein Beutetier verdaut wird. SO wurde beobachtet das der pH-Wert der Flüssigkeit in N. alata Kannen von 5.5 (Kaffee) auf ~3.0 (Magensäure) fiel. Des Weiteren finden sich in der Flüssigkeit von Nepenthes Kannen noch Polysaccharide (langkettige Zucker Moleküle die der Flüssigkeit Viskosität geben. Bsp, N. inermis), diverse Enzyme, Antibakterielle Chemikalien, …. Im Gegensatz zur komplexen Zusammensetzung der Nepenthes Flüssigkeit ist die Flüssigkeit in Heliamphora und Sarracenia Schläuchen nicht viel anders als Wasser. Sie ist ebenfalls sauer, aber enthält (in ungeöffneten Schläuchen) deutlich weniger Enzyme oder andere Stoffe. Der pH-Wert in den Sarracenia Schläuchen erhöht sich mit zunehmendem Alter und Verdauungsaktivität. Dadurch ändert sich die bakterielle Flora und auch die Aktivität von verschiedenen Enzymen da einige Enzyme besser bei höheren und andere besser bei niedrigeren pH-Werten funktionieren. Das bedeutet das verschiedenen Schläuche in verschiedenen Wachstumsstadien verschiedene Beute unterschiedlich gut verdauen.

 

Die Fallen als Lebensraum

In der Natur sind die Fallen von fleischfressenden Pflanzen keineswegs steril. In Fallen wurden in einer Studie hunderte von Verschiedenen Bakterien, Pilzen, Algen, Insekten (Larven), Spinnen, Krustentiere, etc… (Bild ) gefunden. Inwieweit alle diese „Untermieter“ der Pflanze helfen, schaden oder ähnliches ist nicht bekannt. Was als gesichert gilt ist das ungeöffnete Fallen steril sind und Organismen erst nach der Öffnung eindringen. In geöffneten Fallen von N. alata wurden ~10^8 (1000000000!) Bakterien/ml gefunden und ca 10^8 in S. flava. Das ist ein sehr hoher Wert und vergleichbar mit einer im Labor angelegten Kultur.

 

 

( Adlassnig, W.; Peroutka, M.; Lendl, T. (2010): „Traps of carnivorous pitcher plants as a habitat: composition of the fluid, biodiversity and mutualistic activities“. In: Annals of Botany. 107 (2), S. 181-194, DOI: 10.1093/aob/mcq238.)

 

Bakterien als Verdauungshelfer

Eines der Hauptziele der Pflanze ist es anorganische Nährstoffe wie z.b. Stickstoff oder Phosphor aus der gefangenen Beute zu holen. Viele Bakterien und auch Pilze sind nachweislich in der Lage den gebundenen Stickstoff aus Aminosäuren und das Phosphor aus (u.a.) DNA zu gewinnen und der Pflanze zur Verfügung zu stellen. In den Fallen von S. purpurea wurden Bakterien nachgewiesen die Indol, Proteine, Kasein, Blut Serum und Gelatine abbauen konnten und damit sehr gut geeignet sind um einen großen Klumpen Insekt in handliche und leicht verdauliche Nährstoffe zu zerlegen. Präkarnivore Bromelien verlassen sich (so viel wir wissen) komplett auf Verdauung und Nährstofffreilegung durch Mikroorganismen. Dabei ist aktuell unklar welche Bakterien tatsächlich für die Verdauung verantwortlich sind. Durch 16s rRNA Sequenzierung wurden hunderte verschiedene Bakterien Familien in den Fallen von Nepenthes, Sarracenia und co. gefunden. Darunter: Acidobacteria (mag saure Umgebungen), Actinobacteria (binden Stickstoff und zersetzen fast alles), Nitrospira (binden Stickstoff), Bacillus (z.b. In Joghurt, altem Brot und Anthrax Briefen), Serratia, Clostridium und viele viele mehr. Vielleicht sind alle für die Pflanze nützlich, vielleicht nur einige. Im Augenblick unklar. Es scheint jedoch so dass einige Nepenthes Arten mit geringer eigener Enzym Produktion ihren pH-Wert und Chemikalien Cocktail abgestimmt haben um Bakterien das Leben zu vereinfachen.

 

Da die Flüssigkeit in den Fallen zunächst steril ist, und Bakterien erst durch die Beute selbst in die Falle gelangen, kann davon ausgegangen werden das die Pflanze nicht sehr spezifisch ist welche Bakterien Sie benötigt. Vermutlich ist der pH und die Flüssigkeitszusammensetzung der „Rahmen“ der es bestimmten Bakterien erlaubt in der Falle zu leben und der Pflanze zu helfen während andere nicht überleben. Auch scheinen Sarracenia, Heliamphora und Brocchinia Arten deutlich stärker auf bakterielle Verdauung angewiesen zu sein als z.b. Nepenthes. Der Großteil der Arbeiten auf diesem Gebiet wurden an Nepenthes und Sarracenia gemacht. Zu z.b. Heliamphora habe Ich so gut wie nichts gefunden.

 

Weiter Bereiche in denen Bakterien der Pflanze helfen

Bakterien könnten auch zur allgemeinen Gesundheit der Pflanze beitragen. Gutartige Bakterien könnten z.b. Krankheiterreger bekämpfen oder ihr Wachstum verhindern (Probiotika, das „Actimel-Prinzip“)

Bakterien (oder ihre Ausscheidungen) sind vermutlich dafür verantwortlich das die Fallenflüssigkeit in Darlingtonia und möglicherweise anderen Karnivoren eine geringere Oberflächenspannung hat als Wasser. Dadurch versinken Insekten die in die Falle gefallen sind leichter und schwimmen nicht auf der Oberfläche wie Sie es in normalem Wasser tuen würden.

 

Es gibt nicht sehr viele wissenschaftliche Arbeiten zu diesem Thema und viele Dinge sind theoretisch oder unzureichend belegt. Hauptsächlich weil die Erforschung von Bakterien in Karnivoren wenig praktischen Nutzen verspricht, wenig Interesse in der Gesellschaft erweckt und noch weniger Geld für Forschungen lockermacht. Deshalb benutze ich oft die Worte „vielleicht“ „möglicherweise“ und „eventuell“. Idealerweise ist das ein work in progress Artikel. Ich bin Mikrobiologe, kein (Bio)chemiker oder Botaniker also Kritik und Verbesserungsvorschläge einfach Äußern. 

 

Literatur (alles auf Englisch):

- Armitage, David W. (2016): „Correction to ‘Bacteria facilitate prey retention by the pitcher plant Darlingtonia californica ’“. In: Biology Letters. 12 (12), S. 20160913, DOI: 10.1098/rsbl.2016.0913.

- Plummer, Gayther L.Jackson, Thomas H. (1963): „Bacterial Activities within the Sarcophagus of the Insectivorous Plant, Sarracenia Flava“. In: American Midland Naturalist. 69 (2), S. 462, DOI: 10.2307/2422922.

- Takeuchi, Yayoi; Chaffron, Samuel; Salcher, Michaela M. u. a. (2015): „Bacterial diversity and composition in the fluid of pitcher plants of the genus Nepenthes“. In: Systematic and Applied Microbiology. 38 (5), S. 330-339, DOI: 10.1016/j.syapm.2015.05.006.

- Siragusa, Alex J.; Swenson, Janice E.; Casamatta, Dale A. (2007): „Culturable Bacteria Present in the Fluid of the Hooded-Pitcher Plant Sarracenia Minor Based on 16S rDNA Gene Sequence Data“. In: Microbial Ecology. 54 (2), S. 324-331, DOI: 10.1007/s00248-006-9205-y.

- Morohoshi, Tomohiro; Oikawa, Manabu; Sato, Shoko u. a. (2011): „Isolation and characterization of novel lipases from a metagenomic library of the microbial community in the pitcher fluid of the carnivorous plant Nepenthes hybrida“. In: Journal of Bioscience and Bioengineering. 112 (4), S. 315-320, DOI: 10.1016/j.jbiosc.2011.06.010.

- Koopman, M. M.; Fuselier, D. M.; Hird, S. u. a. (2010): „The Carnivorous Pale Pitcher Plant Harbors Diverse, Distinct, and Time-Dependent Bacterial Communities“. In: Applied and Environmental Microbiology. 76 (6), S. 1851-1860, DOI: 10.1128/aem.02440-09.

- Adlassnig, W.; Peroutka, M.; Lendl, T. (2010): „Traps of carnivorous pitcher plants as a habitat: composition of the fluid, biodiversity and mutualistic activities“. In: Annals of Botany. 107 (2), S. 181-194, DOI: 10.1093/aob/mcq238.

Bearbeitet 14. März 2017 von AntonKubala

[Beautytube]

Hallo, guter Überblick!!!

Adlassnig, W.; Peroutka, M.; Lendl, T kenne ich, es kommen Vertreterinnen dieser Forschungsgruppe der Uni Wien zur JHV nach Wien. Wir haben 4 Vorträge von dieser Gruppe!!!

Da habt Ihr sicher Gelegenheit zu diskutieren und vielleicht ein Praktika zu ergattern!

 

An z.B. der Florida State University in Tallahassee wird dazu geforscht!

Z.B:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-2435.2008.01421.x/abstract

http://www.bio.fsu.edu/faculty-millert.php

 

Kenne die Uni sehr gut, da ich mit dem Electrical Engineering Department kooperiere.

Schau Dir auch die Literaturverweise an. Da gibt es viele Arbeiten dazu.

 

Peter.

 

[Christoph Hübner]

Super informativer Beitrag. Ich schätze es sehr, wenn unser Forum neben Kulturerfahrungen auch wissenschaftlichen Input erhält.

Vielen Dank für's Zusammensuchen der Informationen und vor allem auch für's Teilen.

 

@PeterZeller: Ein Grund mehr, die JHV kaum noch erwarten zu können. 

[Ronny K.]

Hallo Anton,

wie genau weißt man nach, ob die Enzyme von der Pflanze sind oder nicht? Wenn die Falle noch geschlossen ist und steril, ist es klar. Aber was ist, wenn den Enzyme erst gebildet werden, wenn ein Tier in die Falle geraten ist? Dann kann man doch nicht mehr sagen, woher das Enzym kommt. Eine sichere Aussage könnte ja eigentlich nur mit einer genetisch veränderten Pflanze getroffen werden, bei der die entsprechenden Enzyme markiert wurden. Aber das wird sicher keiner machen und bei anderen Fallentypen ist es sicher noch schwieriger. Oder unterscheiden sich die Enzyme von Bakterien grundsätzlich in ihrer Primärstruktur von pflanzlichen Enzymen?

 

Grüße 

Ronny 

[AntonKubala]

Danke für das nette Feedback

Eine Methode um festzustellen ob die Enzyme Pflanzlich sind oder nicht wäre (Auch wenn in keinem der Artikel erwänt, wäre aber absolut logisch) z.b. eine sterile Falle im sterilen Labor mit sterilen Insekten/Fleischstückchen zu füttern und zu gucken ob und welche Enzyme gebildet werden.

Auch haben einige Pflanzen gar keine Drüsen die Enzyme produzieren/ausscheiden könnten. Die meisten Brocchinia Arten (ausser reducta) haben zwar die Möglichkeit Insekten anzulocken, zu fangen, zu töten und die Nährstoffe aufzunehmen aber keine Enzym Drüsen. Tatsächlich wurde Brocchinia reducta erst kürzlich (2005) zur "echten" Karnivore erklärt weil eine polnische Gruppe unter Bartek Plachno eben diese Drüsen bei dieser Art gefunden hat. 

Eukaryotische Proteine sind z.b. länger als prokaryotische. Auch ist der weg wie Bakterien ihre DNA in Proteine übersetzen sehr verschieden von Pflanzen. Ob allerdings ein pflanzliches Enzym strukturell unterschiedlich ist von einem bakteriellen weiß Ich leider nicht. Es ist aber interessant und deshalb werde Ich jemanden Fragen der älter und weiser ist als Ich  

Ein weiterer Weg wäre das Genom der Pflanze zu sequenzieren (was noch vor 10-15 Jahren ein Vermögen gekostet hat, heute aber für ein paar Tausend Euro machbar ist) und zu sehen ob die Pflanze überhaubt die gene hat um Enzym XYZ zu produzieren. 

[Ronny K.]

Hallo,

die Enzyme müssen sie haben. Ausgediente Proteine müssen sie ja auch abbauen können. Auch Chitinasen werden zur Abwehr oder Modifikation von Pilzhyphen gebildet. Die Frage ist nur, ob und wie sie ausgeschieden werden.

Sterile Insekten oder Fleischstückchen stelle ich mir schwierig vor. In deren Zellen befinden sich ja auch Enzyme bzw. im Verdauungstrakt der Insekten befinden sich Bakterien. Aber reine Proteine wie BSA wären sicher möglich.

 

Grüße 

Ronny 

[Roman.P]

Hallo,

 

Wie schon richtig erwähnt wurde unterscheidet sich die Proteinsynthese in Prokaryoten wesentlich von Eukaryoten. Das hat auch zur Folge das sich die meisten Enzyme doch unterscheiden vorallem durch Glykosilierung, Prokaryoten sind nicht in der Lage Zuckerreste an ihre Enzyme zu hängen, sind in Eukaryoten aber ein wichtiges Werkzeug für Transportproteine durch die Zellmembran.

 

In der Realität stell ich mir das aber eher schwer vor und als große Aufgabe die Proteine zu isolieren, trennen und vorallem zu bestimmen, sind ja doch nur wenige Microgramm in den Fallen. Wäre eine tolle Masterarbeit für mich nur fraglich ob mich da jemand betreuen möchte ??

 

Gruß Roman

[Ronny K.]

Hallo Roman,

in den Fallen befinden sich aber nicht nur Prokaryoten (Bakterien, ohne Zellkern), sondern auch Eukaryoten (alles andere mit Zellkern). Wobei sicher die Prokaryoten die größte lebende Biomasse in den Fallen bilden.

 

Grüße 

Ronny 

[Roman.P]

Hallo

 

Das ist schon richtig aber unter Laborbedingungen ist es möglich sterile Bedingungen zu schaffen und einzelne Stämme hinzu zugeben um dann einen Rückschluss darauf zu ziehen. 

 

Dies ist natürlich mit einem immensen Aufwand bzw. auch relativ viel Geld verbunden.

 

Gruß Roman

[AntonKubala]

Unter Laborbedingungen geht das. Die Drosophila z.b. Fliegen für die Genetik werden ja auch steril im labor aus Eiern gezüchtet und kommen nie in Kontakt mit der unsterilen Welt. Glykolisierung wäre auch das einzige was mir einfällt. Ich habe einen meiner Profs gefragt und mehr ist ihm auch nicht eingefallen. Die Proteine zu isolieren sollte nicht so schwer sein. Einfach die Mischung durch Polyacrylamid Gel Elctrophorese in verschiedene größen aufteilen und (Da fragt mann wohl am besten nen Biochemiker) weiter analysieren. Von den einzelnen Aminosäuren kann man ja sogar (bis zu einem bestimmten Grad) auf die DNA Sequenz schließen. Man könnte auch die Bakterien in kultivieren und die bakteriellen mit den pflanzliche Enzymen vergleichen. Da die eukaryotischen glykolisiert sind sollten sie schwerer sein und bei der Gel Elektrophorese weniger weit wandern.

Ich kann mir schon vorstellen das das jemand betreuen würde wenn man mal rumfragt. Ist ja nicht nur für Karnivoren relevant zu wissen ob ein Protein in situ von Organismus X oder Y stammt. 

[Ronny K.]

vor 16 Stunden schrieb AntonKubala:

Unter Laborbedingungen geht das. Die Drosophila z.b. Fliegen für die Genetik werden ja auch steril im labor aus Eiern gezüchtet und kommen nie in Kontakt mit der unsterilen Welt.

 

Hallo,

dann hast du immernoch die Enzyme der Fliege darin rumschwimmen, die glykolisiert sind. Aber wie gesagt, reine Proteine wären möglich.

 

Grüße 

Ronny