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.»
Universität Zürich
Originalpublikation:
Serra Moncadas, L., Ruscheweyh, HJ., Woodhouse, J. et al. A global mitochondrial genomic atlas illuminates freshwater microeukaryote diversity. Nat Commun (2026). doi.org/10.1038/s41467-026-78160-1
