Invasion Biology of Mnemiopsis leidyi and its symbionts

Hammann, Sven

Symbiotic interactions are one of the most important biotic factors for every living organism, and they have stimulated growing scientific interest during the last few years. Symbiosis is understood here as the umbrella term for all forms of coexistence of individuals of diferent species, be they parasitic, mutualistic or commensalistic. For an invasive organism it has to be considered that not only itself has to face the new environmental conditions but also its symbionts. Recent studies have shown that changing environmental conditions can change the kind of relationship between a host and its symbionts in fundamental ways. Mutualists can become parasites and vice versa. The comb jelly Mnemiopsis leidyi (Ctenophora), also known as sea walnut, has found to be a strong invader and a strong competitor to locally established organisms - especially fishes and planktonic organisms - for about three decades now. After the invasion of the Black Sea in the 1980s the sea walnut spread into the neighboring seas in the following years. In October 2006 it was first reported in the Baltic Sea, in the North Sea it was found a few months later. An almost continuous monitoring of M. leidyi in the Baltic Sea since its first occurrence opened the possibility to learn more about the underlying mechanisms which determine whether an invasion proves successful or not. In this thesis, a one-year monitoring (2008) of M. leidyi is presented and discussed. The distribution and abundances of the sea walnut indicate a stable (at least for the moment) population in the western Baltic Sea which reaches up to Fehmarn and the bight of Luebeck. Furthermore, M. leidyi was screened for bacterial and archaeal symbionts; "higher" symbionts - like amoeba or anemone - had not been found so far in the Baltic Sea. The 16sRNA gene-based screening of whole-body extracts on the one hand gave hints for a stable and exclusive symbiotic community. On the other hand, the surface epithelium - as the area of the very first contact to a (novel) environment and potential symbionts - seems to be completely void of bacteria. The underlying mechanisms, potential benefits and consequences of this finding are totally unclear up to now. To gain insight into this astonishing discovery, several methods for fixation of the animals without preparation artifacts were tested. The prepared surfaces should allow for structure analysis through light- and electron microscopy. Finally, it is discussed to use M. leidyi - and invasive species in general - as a "space-for-time" approach to study the efects of long term climate and environmental changes on species and their symbionts under natural conditions.

Symbiotische Wechselbeziehungen gehören zu den wichtigsten Faktoren im Leben eines jeden Organismus. Hierbei ist Symbiose als Überbegri für jegliche Form des Zusammenlebens zweier Individuen verschiedener Artzugehörigkeit zu verstehen, egal ob parasitisch, mutualistisch oder kommensalistisch. Eine invasive Art setzt sich nicht alleine für sich mit neuen Umweltbedingungen auseinander, sondern immer im Verbund mit ihren Symbionten. So konnte gezeigt werden, dass sich die symbiotischen Beziehungen radikal verändern können wenn sich die Umweltbedingungen ändern: Mutualisten werden zu Parasiten und umgekehrt. Die Rippenqualle Mnemiopsis leidyi (Ctenophora), umgangssprachlich als Meerwalnuss bezeichnet, ist seit drei Jahrzehnten als eine hochinvasive Art und starker Konkurrent für etablierte Spezies - speziell Fische, aber auch andere planktische Organismen - bekannt. Nach der Einschleppung ins Schwarze Meer in den 1980er Jahren verbreitete sie sich unaufhaltsam in die benachbarten Meere. Im Oktober 2006 wurde sie zuerst in der Ostsse und kurz darauf auch in der Nordsee gesichtet. Ein seither nahezu kontinuierliches Monitoring eröffnet die Möglichkeit, mehr über Mechanismen zu lernen die entscheiden ob eine Invasion erfolgreich verläuft oder nicht. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst ein einjähriges Monitoring (2008) von M.leidyi vorgestellt und diskutiert. Die beobachteten Verteilungsmuster und Abundanzen legen eine stabile (zumindest für den Moment) Population in der westlichen Ostsee nahe, die im Osten bis Fehmarn und zur Lübecker Bucht reicht. Weiterhin wurde M. leidyi auf bakterielle Symbionten untersucht; "höhere" Symbionten wie Amöben oder Anemonen konnten für die Ostsee bisher nicht nachgewiesen werden. Das 16sRNA Gen-basierte Screening ergab eine von der Umgebung distinkte und stabile Lebensgemeinschaft. Andererseits erwies sich die Oberfläche - als Zone des ersten Kontakts mit einer neuen Umwelt und potentiellen Symbionten - als völlig bakterienfrei. Die zugrundeliegenden Mechanismen sowie daraus resultierende Vor- und Nachteile sind bisher völlig unbekannt. Um diese erstaunliche Entdeckung besser zu verstehen wurden verschiedene Methoden zur Fixierung der Tiere erprobt. Diese sollen eine Betrachtung des ungestörten und unzerstörten Epithels mittels Licht- und Elektronenmikroskopie ermöglichen. Abschließend wird diskutiert, M. leidyi - und invasive Arten im Allgemeinen - als Modellorganismen für einen "Ort-statt-Zeit" Ansatz zu nutzen, um Langzeiteffekte von Umwelt- und Klimaveränderungen auf Arten und ihre Symbionten zu untersuchen.

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Hammann, Sven: Invasion Biology of Mnemiopsis leidyi and its symbionts. 2012.

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