A small world between grains / Eine kleine Welt zwischen den Sandkörnern

The Multicorer being recoverd / Der Multicorer kommt nach erfolgreichem Einsatz mit gefüllten Rohren zurück an Deck. Photo: Julia Otte The Multicorer being recoverd / Der Multicorer kommt nach erfolgreichem Einsatz mit gefüllten Rohren zurück an Deck. Photo: Julia Otte

by Dr. Sven Rossel, Katja Uhlenkott und Ann-Kathrin Weßel (deutsch s.u.)

“Ah, you’re playing with mud again.” That is something biologists and geologists hear quite often on board. And yes, we are one of the parties “playing with mud”. But actually we, the biologists from Senckenberg, German Centre for Marine Biodiversity Research, are not interested in the sediments and polymetallic nodules that are brought up from the seafloor. We investigate the small organisms between the grains, referred to as meiofauna.

This size class of organisms is composed of a variety of different groups, usually called taxa. The most frequent taxon is always Nematoda, the roundworms. Other organisms are different crustaceans, water bears, small worms like annelids and mud dragons and many more. Although all of them are smaller than 1 mm, they play an important role as food source in the deep-sea community. Therefore, it is vital to use the meiofauna communities as indicators for changes due to disturbances in the deep sea.
Usually, investigation of meiofauna used to be very time-consuming. First, you have to separate the animals from the sediment, sort out all individuals and determine them morphologically. Due to the high number of individuals, usually there are several thousand below an area of 10 cm2, it is simply impossible to determine a sufficient number of individuals for a proper and quick assessment. Therefore, our task in this project is the introduction and examination of the new rapid assessment methods MALDI-TOF MS and metabarcoding.

Metabarcoding bases on a genetic barcode. Genetic barcodes are small parts of genes that differ between species. Hence, they can be used to distinguish between them. In the metabarcoding approach, all DNA is extracted from the sample at once and the genetic barcode of all organisms in the sample is sequenced in parallel. Therefore it is a fast way to ascertain the different species and taxa that occur at this specific position.
MALDI-TOF MS bases on mass spectrometry and is used to investigate the proteomic fingerprint. Proteomic fingerprint means proteins and peptides are separated by their size and their composition is characteristic for a certain species. However, for MALDI-TOF only individual animals can be used and hence animals have to be separated first. But therefore this method can be used as a quantitative method, in contrast to the qualitative metabarcoding.

But now, on board it is all still in the mud. To bring it up we use the multicorer, a spiderlike frame that is lowered to the seafloor and brings up cores filled with sediment and bottom water. Our animals are usually in the upper centimetres of the sediment, so we only take the bottom water and slice our sediment cores to 5 cm. This small pile of mud contains a whole world of different creatures still to be uncovered.

von Dr. Sven Rossel, Katja Uhlenkott und Ann-Kathrin Weßel

„Ah, ihr spielt wieder mit Schlamm.“ Das ist etwas, das Biologen und Geologen sich an Bord ziemlich oft anhören dürfen. Und, ja, wir sind eine der Gruppen, die „mit Schlamm spielt“. Aber eigentlich interessieren wir, die Biologen von Senckenberg, dem Deutschen Zentrum für Marine Biodiversitätsforschung uns nicht für das Sediment oder die polymetallischen Knollen, die an Bord gebracht werden. Wir untersuchen die kleinen Tiere zwischen den Sedimentpartikeln, die als Meiofauna bezeichnet werden.

Diese Größenklasse von Organismen besteht aus einer Vielzahl verschiedener Tiergruppen, die wir Taxa nennen. Das häufigste Taxon ist immer Nematoda, die Fadenwürmer. Andere Tiere sind verschiedene Krebse, Bärtierchen, kleine Würmer wie Hakenrüssler, Ringelwürmer und viele andere. Sie alle sind kleiner als 1 mm, trotzdem spielen sie als Nahrungsquelle eine wichtige Rolle in der Tiefseegemeinschaft. Deswegen kann man die Meiofaunagemeinschaften gut als Indikator verwenden, um die Veränderungen nach Störungen am Tiefseeboden zu untersuchen.

Normalerweise ist die Erforschung von Meiofauna sehr zeitaufwendig. Zuerst muss man die Tiere vom Sediment (also dem „Schlamm“) trennen, die einzelnen Tiere heraussuchen und ihre Morphologie anschauen. Allerdings ist ihre Anzahl immens, unter einer Fläche von 10 Quadratzentimeter findet man normalerweise mehrere tausend Individuen und es ist schwierig eine angemessene Anzahl von ihnen für eine ordentliche und schnelle Überprüfung einer Art zuzuordnen, also zu bestimmen. Deswegen ist es in diesem Projekt unsere Aufgabe zwei neue Methoden, nämlich MALDI-TOF MS und Metabarcoding, zur schnellen Untersuchung von Meiofauna in unserem Forschungsgebiet auszuprobieren und zu etablieren.

Metabarcoding basiert auf einem genetischen Barcode. Solche Barcodes sind kleine Teile eines Gens, die sich bei verschiedenen Arten unterscheiden und deswegen verwendet werden können, um sie zu unterscheiden. Beim Metabarcoding wird die gesamte DNA aus einer Probe auf einmal extrahiert und der genetische Barcode wird für alle Organismen parallel sequenziert. Auf diese Weise kann man sehr schnell die verschiedenen Arten und Taxa nachweisen, die an einer bestimmten Position in der Tiefsee vorkommen.

MALDI-TOF MS basiert auf Massenspektrometrie und wird verwendet um den proteomischen Fingerabdruck eines Tiers zu untersuchen. Dieser Fingerabdruck bezieht sich darauf, dass Peptide und Proteine anhand ihrer Größe getrennt werden und diese Zusammensetzung ist für jede Art charakteristisch. Allerdings kann man diese Methode nur für einzelne Tiere anwenden und deswegen müssen sie doch zuerst einzeln aus einer Probe sortiert werden. Aus diesem Grund kann man diese Methode besser für quantitative Untersuchungen verwenden, das Metabarcoding dagegen für qualitative.

Aber jetzt ist noch alles im Schlamm. Um ihn nach oben zu holen benutzen wir den Multicorer (MUC), einen spinnen-förmigen Rahmen, der zum Meeresboden herunter gelassen wird und Rohre nach oben bringt, die mit Sediment und Bodenwasser gefüllt sind. Unsere Tiere sind normalerweise nur in den oberen Zentimetern des Sediments, deswegen verwenden wir nur das Bodenwasser und schneiden unseren Sedimentkern auf fünf Zentimeter. Dieser kleine Haufen Schlamm enthält eine ganze Welt verschiedener Kreaturen, die noch erforscht werden wollen.

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