Aufzuchtbedingungen beeinflussen das Immunsystem von Bachforellen

Forschende der Universität Bern haben erstmals das Immunsystem der Bachforelle Zelle für Zelle untersucht und eine Übersicht der Genaktivität in jeder Zelle erstellt. Die Studie zeigt, wie vielfältig das Immunsystem dieser Fischart aufgebaut ist, und weist nach, dass Aufzuchtbedingungen messbare Spuren in den Immunzellen hinterlassen können.

Jährlich werden Millionen Besatzfische in unsere Gewässer eingesetzt, um natürliche Bestände zu stützen. Ihre Gesundheit ist entscheidend – für die Fischerei, die Biodiversität und stabile Gewässerökosysteme. Zentral dafür ist ein gut funktionierendes Immunsystem.

In der Aquakultur sind Fische jedoch Umweltbedingungen ausgesetzt, die sich von jenen natürlicher Populationen in freier Wildbahn unterscheiden. Es herrschen andere Wasser-, Temperatur- und Nahrungsbedingungen und die Tiere leben in deutlich höherer Dichte zusammen. Ein besseres Verständnis des Immunsystems von Fischen und des Einflusses von Aufzuchtbedingungen ist deshalb von zentraler Bedeutung, um Krankheitsrisiken für Farm- und Wildfische zu minimieren sowie Haltungsbedingungen und Besatzprogramme gezielt zu verbessern.

Eine neue Studie unter Leitung von Forschenden des Instituts für Fisch- und Wildtiergesundheit (FIWI) der Vetsuisse-Fakultät der Universität Bern hat erstmals das Immunsystem der ökologisch wichtigen und in der Schweiz geschützten Bachforelle im Detail auf Zellebene untersucht. Die Forschenden zeigen, dass die Aufzuchtbedingungen messbare Spuren in der Genaktivität der Immunzellen hinterlassen. Das könnte beeinflussen, wie gut das Immunsystem der Fische auf Krankheiten vorbereitet ist. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift BMC Biology veröffentlicht.

Über 83000 einzelne Immunzellen analysiert

„Dank der an der Universität Bern verfügbaren High-Performing-Computing-Infrastruktur und Expertise im Bereich modernster RNA-Sequenziertechnologien auf Ebene der einzelnen Zelle konnten wir mehr als 83000 Immunzellen aus verschiedenen Forellenindividuen analysieren“, erklärt James Ord, Erstautor der Studie und ehemals Postdoktorand am FIWI. „Diese erstmals so umfassende Kartierung von Immunzellen eröffnet neue Möglichkeiten, das Immunsystem von Fischen besser zu verstehen und gezielt zu erforschen“ sagt Irene Adrian-Kalchhauser, Letztautorin der Studie und Leiterin des FIWI.

Die gewonnenen Daten bilden eine wichtige Grundlage für zukünftige Studien zur Fischgesundheit, zur Evolution des Fisch-Immunsystems und zur Entwicklung neuer Ansätze in der aquatischen Veterinärmedizin. Letzteres ist ein spezialisiertes Fachgebiet, in dem das FIWI seit Jahren intensiv forscht und international anerkannte Expertise besitzt. Geleitet wird dieses Fachgebiet am FIWI von Heike Schmidt-Posthaus, Mit-Betreuerin der Studie.

Die Forschenden identifizierten 34 unterschiedliche Gruppen von Immunzellen, was die bisher bekannte Komplexität des Forellen-Immunsystems deutlich erweitert. Neben der Bestätigung bereits bekannter Immunzelltypen wie T-Zellen, B-Zellen und Makrophagen konnte auch die Existenz eines fisch-spezifischen Immunzelltyps bestätigt werden, der Kennzeichen von B-Zellen und Neutrophilen gleichzeitig trägt. Ein besonders bemerkenswerter Aspekt der Studie ist der nachgewiesene Einfluss der Aufzuchtbedingungen auf das Immunsystem der Bachforellen. „Bachforellen aus der Fischfarm zeigten in ihren Abwehrzellen ein deutlich anderes Aktivitätsmuster als Fische aus freier Wildbahn. Bestimmte Gene waren bei ihnen deutlich stärker oder schwächer aktiv. Dass sich solche umweltbedingten Unterschiede auf Immunzellebene widerspiegeln, war sehr überraschend“, erklärt Heike Schmidt-Posthaus. Sie fügt an: „Bereits eine oder zwei Generationen unter kontrollierten Aufzuchtbedingungen reichen aus, um einen messbaren molekularen ‘Fingerabdruck’ im Immunsystem zu hinterlassen. Ob das die Gesundheit und Widerstandsfähigkeit der Tiere maßgeblich beeinflusst, wird weiter untersucht.“

Der Evolution auf die Finger schauen

Die Erkenntnisse könnten erklären, warum Besatzfische aus der Aquakultur häufig weniger widerstandsfähig gegenüber Infektionen und Umweltstressoren sind als ihre wildlebenden Artgenossen.

Die hohe Auflösung des Datensatzes enthüllt auch spannende evolutionsbiologische Details. Forellen, wie alle Lachsartigen, tragen besonders viel verdoppelte Gene in ihrem Erbgut. Im vorliegenden Datensatz kann man diesen Duplikaten live dabei zusehen, wie sie neue Funktionen annehmen. Es gibt Duplikate, bei denen beide Partner in genau den gleichen Zelltypen vorkommen. Es gibt aber auch Genpaare, deren Funktion sich auseinanderentwickelt hat. D. h. ein Partner kommt in einem Zelltyp vor, der andere hingegen in einem ganz anderen Zelltyp. „Wir können den Genpaaren bei diesem sogenannten Prozess der ‘Neofunktionalisierung’ nun direkt zusehen“, sagt Irene Adrian- Kalchhauser. „Am liebsten würde ich für jedes einzelne dieser Paare jetzt im Detail erforschen, inwiefern sie sich unterscheiden, und was das für das Immunsystem bedeutet“.

Bedeutung der Ergebnisse für den Naturschutz

Die Bachforelle wird weltweit in natürliche Gewässer ausgesetzt, um schrumpfende Bestände zu stützen und die Biodiversität zu erhalten. Angesichts des Klimawandels und der zunehmenden Zerstörung von Lebensräumen sei es wichtig, solche Besatzprogramme mit modernen molekularen Methoden zu begleiten, sagt Adrian-Kalchhauser: „Wir müssen besser verstehen, wie Aufzuchtbedingungen das Immunsystem beeinflussen, damit diese Programme nachhaltiger und wirksamer werden.“ Dazu gehöre etwa, Haltungsbedingungen zu fördern, die natürliche Bedingungen möglichst gut nachahmen, um den langfristigen Erfolg von Natur- und Fischereischutzmaßnahmen zu erhöhen. Als nächstes soll untersucht werden, wie Infektionen die Genaktivität von Immunzellen verändern. Durch den fortwährenden Ausfall der experimentellen Außen-Fischzuchtanlage des FIWI nach dem Brand im Sommer 2025 ist diese Forschung derzeit noch erschwert. „Unsere Ergebnisse liefern einen wichtigen Rahmen für künftige Studien zur Funktion des Immunsystems, zu Besatzpraktiken und zur Evolution der Wirbeltiergenome“, so Adrian-Kalchhauser abschließend.