Freund oder Feind? Forscher erforschen die uralte Partnerschaft zwischen Moos und Pilzen

Wenn Sie das nächste Mal mitten im Winter durch den Wald spazieren, nehmen Sie sich einen Moment Zeit, um zu sehen, ob Sie einen der hartnäckigsten und herzlichsten Überlebenden der Natur entdecken können.

Nein, nicht das Stück braunes Gras, das durch eine Schneewehe hervorschaut, oder die Hektar voller Bäume mit ihren kahlen Ästen und Zweigen, die auf den Frühling warten.

Wenn Sie nach unten schauen, werden Sie feststellen, dass das einzige Grün, das Sie sehen können, direkt unter Ihrem Stiefel liegt – ein üppiger Moosteppich.

Für Björn Hamberger, einen James K. Billman Jr., MD, Stiftungsprofessor an der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie des Michigan State University College of Natural Science, ist diese ganzjährige Robustheit allein schon Grund zur Bewunderung.

„Es gibt einem eine Vorstellung davon, wie widerstandsfähig diese Organismen sind, und es ist wahrscheinlich einer der Gründe dafür, dass Moose geblieben sind und nicht durch die Evolution verloren gegangen sind“, sagte Hamberger.

Aber es ist auch ein Ausgangspunkt für Forschungen, die Äonen umfassen – von der alten Erde bis zur Zukunft der Menschheit im Weltraum. Erscheint in Das Pflanzenjournal, das Hamberger-Labor neuestes Papier möchte besser verstehen, wie Moose und andere Pflanzen unseren Planeten eroberten und wie sie dabei möglicherweise die dringend benötigte Hilfe von ihren langjährigen Mitarbeitern, den Pilzen, erhalten haben.

Von der frühen Erde bis zum zukünftigen Mars

Moose vollzogen vor 450 Millionen Jahren im Ordovizium den Übergang zum Land, ein Prozess, der Hamberger vermutet, dass er ohne Teamarbeit nicht erfolgreich gewesen wäre.

Als Moose das Land erreichten, mussten sie eine Vielzahl neuer und herausfordernder Variablen berücksichtigen, darunter Wasserregulierung, Schwerkraft, schwankende Temperaturen und Einwirkung von UV-Licht.

Glücklicherweise trafen die Moose auf eine Landschaft, die bereits von frühen Pilzen besiedelt war, deren wurzelartiges Netzwerk, das Myzel, wichtige Nährstoffe aus der Erde aufnehmen konnte. Als Gegenleistung für diese Nährstoffe versorgten frühe Landpflanzen die Pilze mit einer Kohlenstoffquelle und begründeten so eine neue Beziehung, die bis zum heutigen Tag andauert.

„Mindestens 80 % der modernen Pflanzen arbeiten immer noch in irgendeiner Weise mit Pilzen zusammen und erhalten Hilfe, um stärker und widerstandsfähiger zu werden“, erklärte Hamberger. „Wenn wir in eine Zukunft blicken, in der Pflanzen eine wachsende Bevölkerung ernähren müssen, wird dies ein entscheidender Faktor sein.“

Hamberger und seine Forschungsgruppe arbeiteten seit über einem Jahrzehnt mit Moosen und nahmen 2019 an einer Sonderausstellung in der Detroit Science Gallery mit dem Titel „Fog of Dawn“ teil, bei der in Terrarien wachsende Moose gezeigt wurden, die das Ambiente der Urerde und der anschließenden Übernahme nachahmen sollten von Pflanzen und Pilzen.

Die Gruppe entwickelte auch Moos, um fremde, moderne biochemische Wege zwischen Landpflanzen auszudrücken und so Produkte wie Patschuliöl herzustellen.

Hier sieht Hamberger spannendes Potenzial im Bereich der Weltraumforschung. Moose und andere Pflanzen könnten als natürliche Hersteller von Baumaterialien oder Medikamenten fungieren und bei Raumflügen Kohlendioxid in Sauerstoff umwandeln.

„Wenn man Pflanzen auf eine solche Reise mitnehmen und ihnen die Blaupausen für die Herstellung nützlicher Produkte geben kann, wird das das immense Gewicht der Rohstoffe im Orbit reduzieren“, sagte Hamberger. „Außerdem, wenn es darum geht, einen Ort wie den Mars zu terraformieren, warum nicht mit Moos beginnen – einer Pflanze, die unseren eigenen Planeten bereits erfolgreich verändert hat?“

Mit ihrer neuesten Forschung in Das Pflanzenjournalhofft das Hamberger-Labor, den Vorhang für die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben weiter öffnen zu können und die Art und Weise zu entdecken, wie Moose und Pilze auf mikroskopischer Ebene kommunizieren.

Freund oder Feind?

Um diese Ziele zu erreichen, entwarfen Hamberger und Davis Mathieu, ein Doktorand und Erstautor der Arbeit, ein Experiment, das Moos-Pilz-Interaktionen in Echtzeit aus der ersten Reihe untersuchen würde.

Über drei Monate hinweg beobachtete das Labor, wie das Moos Physcomitrium patens verschiedene Terrarien besiedelt. Einige Lebensräume waren gänzlich ohne Pilze, während andere gemeinsam mit zwei Arten der Linie der bodenbewohnenden Pilze, Mortirellaceae, kultiviert wurden, die wahrscheinlich zur gleichen Zeit existierten, als Pflanzen begannen, das Land zu erobern.

Die Pilze wurden vom Pilz- und Genetikexperten Greg Bonito, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Pflanzen-, Boden- und Mikrobenwissenschaften der MSU und langjähriger Mitarbeiter von Hamberger, bereitgestellt.

Mithilfe von Mikroskopie, genetischer Analyse und Raspberry-Pi-Mikrocomputern verfolgten die Forscher die subtile, aber unterschiedliche Art und Weise, wie das Moos mit seinen Pilznachbarn interagierte. Das Team entdeckte, dass diese Wechselwirkungen von einer einzigartigen Ergänzung des Pilzes abhingen: Endobakterien innerhalb der Pilze.

Diese Endobakterien stellten eine eigene herausfordernde Frage. Die Endobakterien sind zum Überleben vollständig von ihrem Pilzwirt abhängig, es war jedoch unklar, ob sie der Beziehung irgendeinen Wert beimessen.

„Im Allgemeinen werden Endobakterien nicht als nützlich für Pilze angesehen, da die Zellen große Kompromisse eingehen müssen, um sie zu beherbergen“, sagte Mathieu. „Das wirft natürlich die Frage auf: Warum gibt es sie noch?“

Mathieu und andere fanden heraus, dass Pilze leichter mit ihren moosigen Nachbarn interagieren können, wenn Endobakterien vorhanden sind. Während sie mit Pilzen experimentierten, denen ihre Endobakterien entfernt wurden, begann sich ein komplexes Beziehungsgeflecht zu bilden.

Beispielsweise schien eine Pilzart das Moos von innen zu „fressen“, wenn seine Endobakterien vorhanden waren. Aber in Proben, in denen die Endobakterien fehlten?

„Es lebt Seite an Seite mit dem Moos, völlig gleichgültig“, erklärte Mathieu.

In der Zwischenzeit änderte eine andere Pilzart, die dem Moos Vorteile verschaffte, sein Verhalten, als seine Endobakterien entfernt wurden. Die Pilze begannen, sporenartige Strukturen zu bilden, die auf Stress hindeuteten, und besiedelten das Moos nicht mehr wie früher.

Das Hamberger-Labor freut sich darauf, diese Freund-Feind-Beziehungen zwischen Moos, Pilzen und Endobakterien weiter zu entschlüsseln und herauszufinden, was diese Entdeckungen für das Verständnis des Lebens auf der Erde bedeuten.

„Wir dachten, wir würden mit etwas Einfachem und Unkompliziertem beginnen – dem Beginn des Landpflanzenlebens“, sagte Hamberger ironisch. „Aber es stellt sich heraus, dass es diese superspannende und sehr komplexe Geschichte gibt, die uns etwas darüber lehren kann, was während der Evolution der Landpflanzen passiert ist, was uns auf diesen Planeten gebracht hat und was uns möglicherweise auf einen anderen Planeten bringen könnte.“

Er hofft auch, dass diese Forschung das Interesse an wichtigen Lebensformen wecken könnte, an denen wir jeden Tag vorbeikommen, oft ohne es zu merken.

„Vielleicht weckt es ein wenig Wertschätzung für diese coolen Organismen, die unter rauen Bedingungen leben können und die ersten sind, die im Frühling sagen: ‚Juhu, lass uns gehen‘, wenn der Schnee schmilzt und das Sonnenlicht zurückkehrt.“