Studie zeigt, wie Bakterien zusammenarbeiten, um unter schwierigen Bedingungen zu gedeihen

Obwohl ein grundlegendes Konzept der Ökologie besagt, dass die physische Umgebung bestimmt, wo Organismen überleben können, vermuten moderne Wissenschaftler, dass hinter der Entstehung mikrobieller Gemeinschaften im Boden noch mehr steckt.

In einer neuen Studie haben Forscher durch statistische Analysen und Experimente ermittelt, dass der pH-Wert des Bodens die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft beeinflusst. Die endgültige mikrobielle Gemeinschaft wird jedoch letztlich durch die Notwendigkeit geprägt, die während des Stickstoffkreislaufs freigesetzte Toxizität zu berücksichtigen.

„Die physische Umgebung beeinflusst die Art der mikrobiellen Interaktionen und das wiederum beeinflusst die Zusammensetzung der Gemeinschaft“, sagte Co-Autorin Karna Gowda, Assistenzprofessorin für Mikrobiologie an der Ohio State University. „Die Leute in diesem Bereich wussten, dass diese beiden Dinge auf einer gewissen Ebene wichtig sein müssen, aber es gab nicht viele Beweise dafür. Wir fügen dieser Idee einige Spezifika und Mechanismen hinzu.“

Die Arbeit trage dazu bei, die mikrobiellen Grundlagen des globalen Stickstoffkreislaufs zu klären und biete möglicherweise eine neue Denkweise über die Emissionen von Lachgas, einem starken Treibhausgas, sagte Gowda.

Die Studie wurde kürzlich veröffentlicht in Naturmikrobiologie.

Mikroben halten den Boden gesund und produktiv, indem sie Nährstoffe recyceln. Sie sind besonders wichtig für die Umwandlung von Stickstoff in pflanzenverwertbare Formen. Unterirdische Organismen, die in derselben Umgebung leben, sind außerdem eng miteinander verbunden, jagen sich gegenseitig, nehmen am chemischen Austausch teil und bieten der Gemeinschaft Vorteile.

Für diese Arbeit verwendeten Gowda und Kollegen einen Datensatz aus einer weltweiten Sammlung von Mutterbodenproben, sequenzierten die Genome der in den Proben vorhandenen Mikroben und analysierten wichtige Eigenschaften des Bodens – etwa den Stickstoff- und Kohlenstoffgehalt und den pH-Wert, ein Maß für den Säuregehalt des Bodens.

„Wir wollten Trends untersuchen, die weit verbreitet sind und sich rund um den Globus in sehr unterschiedlichen Umgebungen manifestieren“, sagte Gowda.

Da in einer Bodenprobe Milliarden von Bakterien vorhanden waren, verließen sich die Forscher auf die genetische Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften, um ihre funktionelle Rolle zu bestimmen.

Das Team konzentrierte sich auf Gene, die identifizierten, welche Bakterien an der Denitrifikation beteiligt waren – der Umwandlung von Stickstoffverbindungen aus bioverfügbaren Formen in Distickstoffmonoxid und Distickstoffgas, das in die Atmosphäre freigesetzt wird. Eine bioinformatische Analyse zeigte, dass der pH-Wert des Bodens der wichtigste Umweltfaktor war, der mit der Häufigkeit dieser Organismen in Zusammenhang stand.

Um die statistischen Ergebnisse zu testen, führten die Forscher im Labor Anreicherungsexperimente durch, bei denen sie eine natürliche mikrobielle Gemeinschaft verschiedenen Wachstumsbedingungen aussetzten.

Bei der Denitrifikation sind bestimmte Enzyme an der Umwandlung von Nitrat in verschiedene stickstoffhaltige Verbindungen beteiligt. Eine dieser Formen, Nitrit, ist in sauren Böden (niedriger pH-Wert) giftiger als unter neutralen Bedingungen mit höherem pH-Wert.

Die Experimente zeigten, dass Stämme mit dem Enzym Nar, das mit der Bildung von giftigem Nitrit in Verbindung gebracht wird, und Stämmen mit dem Enzym Nap, das mit dem Verbrauch von Nitrit in Verbindung gebracht wird, je nach Säuregehalt des Bodens schwankten.

„Wir fanden mehr Nar bei niedrigem pH-Wert und weniger Nap und umgekehrt, als der pH-Wert des Bodens in Richtung neutral ging“, sagte Gowda. „Wir sehen also zwei verschiedene Arten von Organismen, die bei saurem und neutralem pH-Wert vorherrschen, aber wir stellen auch fest, dass das eigentlich nicht erklärt, was vor sich geht. Es ist nicht nur die Umwelt, die bestimmt, wer da ist – es sind tatsächlich die Umwelt und die Interaktionen zwischen mehreren Organismen in der Gemeinschaft.

„Das bedeutet, dass der pH-Wert die Interaktion zwischen Organismen in der Gemeinschaft mehr oder weniger konsistent beeinflusst – es geht immer um die Toxizität von Nitrit. Und das zeigt, wie verschiedene Bakterien zusammenarbeiten, um bei unterschiedlichen pH-Werten des Bodens zu gedeihen.“

Diese Entdeckung sei neuartig und wichtig, sagte Gowda. Bakterien und andere Mikroorganismen seien bekanntlich vom Überlebenswillen getrieben, aber sie seien auch aufeinander angewiesen, um zu überleben – und diese Kooperation habe Auswirkungen auf die Umweltgesundheit, so die Forschungsergebnisse.

„Während individuelle Fitnesseffekte bei der Definition von Mustern in vielen Kontexten eindeutig eine Rolle spielen, sind Interaktionen wahrscheinlich von wesentlicher Bedeutung für die Erklärung von Mustern in einer Vielzahl anderer Kontexte“, schrieben die Autoren.

Das Verständnis, wie Wechselwirkungen und die Umwelt die Lachgasemissionen beeinflussen, könnte neue Erkenntnisse zur Reduzierung dieses starken Treibhausgases liefern, sagte Gowda. Denitrifizierende Bakterien sind wichtige Quellen und Senken von Lachgas in landwirtschaftlichen Böden. Während sich frühere Studien auf das Verhalten dieser Lachgas emittierenden Organismen unter verschiedenen pH-Bedingungen konzentrierten, könnte die Berücksichtigung ihrer ökologischen Wechselwirkungen neue Strategien zur Emissionsreduzierung bieten.