Mikroben verbessern die Widerstandsfähigkeit von kohlenstoffreichen Torfgebieten gegenüber Erwärmung

Mikroorganismen könnten Hoffnung machen, dass Torfgebiete heißeren Temperaturen in einem sich ändernden Klima standhalten können, so eine kürzlich in der veröffentlichte Studie Neuer Phytologe.

Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums haben entdeckt, dass bestimmte Bakterien die Klimaresistenz von Sphagnum-Moos erhöhen, der winzigen Pflanze, die für die Speicherung eines Drittels des weltweiten Bodenkohlenstoffs in Torfmooren verantwortlich ist. Hitzetolerante Mikroben übertragen diesen Schutz auf die Pflanzen und helfen ihnen, die Klimaerwärmung zu überleben.

Ein besseres Verständnis der Funktionsweise der für beide Seiten vorteilhaften Partnerschaft oder Symbiose zwischen Moos und Mikroben könnte neue Wege aufzeigen, um gesundes Moos zu erhalten und diese lebenswichtigen Moorökosysteme zu erhalten, die so viel Kohlenstoff binden.

„Vielleicht ist nicht alles so schlimm, wie wir denken“, sagte David Weston vom ORNL, Pflanzenbiologe und Leiter der jüngsten Studie. „Vielleicht sind Organismen gegenüber diesen extremen klimatischen Bedingungen widerstandsfähiger als wir wissen. Wir sehen, dass Sie die Fähigkeit eines Organismus, mit diesen Stressbedingungen fertig zu werden, drastisch beeinflussen können, nur auf das damit verbundene Mikrobiom.“

Das Forschungsteam fand heraus, dass heißere Temperaturen die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften oder Mikrobiome verändern, die in Sphagnum-Moos leben. Diese Veränderung in der Zusammensetzung der Gemeinschaft bewirkt, dass Sphagnum bestimmte Gene aktiviert und die Produktion von Hormonen und Proteinen auslöst, von denen bekannt ist, dass sie Stresstoleranz verleihen.

Das Team zeigte, dass hitzetolerante Mikroben, wenn sie auf Labormoos angewendet werden, das ohne eigenes Mikrobiom gezüchtet wurde, die gleiche Schutzreaktion hervorrufen und es dem Moos ermöglichen, Hitzewellen besser zu überstehen.

Die Ergebnisse bieten einen Hoffnungsschimmer für das Moos und seine Funktion bei der Bindung von Kohlenstoff bei steigenden Temperaturen. Frühere ORNL-Studienergebnisse haben gezeigt, dass sich Teile eines erwärmten Torfmoors in einem Experiment zur Manipulation des gesamten Ökosystems in nur drei Jahren von Kohlenstoffakkumulatoren in Kohlenstoffemitter verwandelten und Kohlendioxid und Methan in die Atmosphäre freisetzten.

Von Mäusen und Moos

Als Weston und ein multiinstitutionelles Team untersuchten, ob Mikroben wünschenswerte Eigenschaften auf das Moos übertragen könnten, wurden sie von einer unwahrscheinlichen Quelle inspiriert: einer Studie über menschliche Zwillinge. Die Zwillinge hatten einen unterschiedlichen Körperbau, wobei ein Zwilling zu Fettleibigkeit neigte und der andere schlank war. Als Mikroorganismen aus ihrem Verdauungstrakt auf Mäuse übertragen wurden, die fast keine eigenen Mikrobiome hatten, wurde die Maus mit den Mikroben des fettleibigen Zwillings größer als die andere, obwohl beide Mäuse die gleiche Ernährung zu sich nahmen.

Weston fragte sich, warum wir bei Pflanzen nicht etwas Ähnliches machen können?

Um diese Frage zu beantworten, entnahm das Forschungsteam Mikroben vom DOE-Standort Spruce and Peatland Responses Under Changing Environments (SPRUCE) im Norden von Minnesota. SPRUCE ist ein einzigartiges Versuchsgelände mit einer Reihe großer Gehege, die 23 Fuß hoch und 43 Fuß breit sind und Teile des Torfmoors auf fünf verschiedene Temperaturen erwärmen und sie erhöhten Kohlendioxidwerten aussetzen. Diese Gehäuse ermöglichen es Wissenschaftlern, die Auswirkungen möglicher zukünftiger Klimazonen zu messen.

In den wärmeren Gehegen sind die Mikroben an heißere Temperaturen angepasst und können diese Wärmetoleranz an das Moos weitergeben. Die Forscher zeigten dies, indem sie Mikroben extrahierten – diejenigen, die in den Moosen in einem Gehäuse mit Umgebungstemperatur leben, und diejenigen, die in den wärmsten der FICHTEN-Gehäuse leben, etwa 16 F heißer – und diese Gruppen von Mikroben auf Moose übertrugen, die in einer Laborumgebung ohne Mikrobiome gezüchtet wurden von ihren eigenen.

Die Forscher verwendeten Umweltkammern am ORNL, um die Labormoose kurzen Perioden mit höheren Temperaturen, sogenannten Hitzeschocks, auszusetzen. Unter diesen simulierten Hitzewellen vermittelte das aus dem wärmeren Gehege entnommene Mikrobiom den Labormoosen eine erhebliche Hitzetoleranz.

Ähnliche Veränderungen in den Genen und Proteinen sowie eine Zunahme des Mooswachstums maßen die Wissenschaftler bei dem Labormoos, das das hitzetolerante Mikrobiom erhielt, auch wenn die Forscher das Labormoos keinem Hitzeschock aussetzten. Dies deutet darauf hin, dass die Mikroben dem Moos eine gewisse schützende Vorkonditionierung verliehen.

Molekulare Veränderungen erzeugen Ökosystemeffekte

Cyanobakterien sind wichtige Mitglieder des Moos-Mikrobioms und haben ein begründetes Interesse daran, Moos gesund zu halten, da das Moos den Bakterien einen Zufluchtsort vor der essigartigen Säure des Torfmoors bietet. Die Mikroben leben in toten Zellen, sogenannten hyaline Zellen, die die Moosblättchen umringen. Diese Zellen halten Wasser für das wurzellose Moos und bieten den Mikroben ein weniger saures Milieu.

Auch das Moos braucht die Cyanobakterien. Die Mikroben ziehen Stickstoff aus der Luft und stellen ihn der Pflanze in einer Form zur Verfügung, die das Moos als Brennstoff für ihr Wachstum verwenden kann. Im Gegenzug versorgt das Moos die Bakterien mit Zucker. Eine aktuelle Studie von Weston und seinen Kollegen entdeckte neue Details über die Funktionsweise dieser wichtigen symbiotischen Beziehung.

„Wir stellen fest, dass die Mechanismen, mit denen die Pflanze und die Mikroben zusammenarbeiten, um diese einflussreichen symbiotischen Wechselwirkungen zu bilden, viel komplizierter sind, als wir dachten“, sagte Weston. „Die Symbiose hängt von äußeren Umweltinteraktionen sowie wirklich starken genetischen Interaktionen ab.“

Die Forscher fanden heraus, dass das Moos den Cyanobakterien schwefelreiche Verbindungen und eine ungewöhnliche Form von Zucker, genannt Kohlenstoff-Trehalose, liefert, die in der sauren Umgebung stabil bleibt. Obwohl Beweise zeigen, dass diese Faktoren wichtig sind, um die Symbiose zwischen Sphagnum und Cyanobakterien aufrechtzuerhalten, verstehen die Forscher die zugrunde liegenden Mechanismen noch nicht.

Das Team zeigte, dass der Säuregehalt oder niedrige pH-Wert des Torfmoors für die Moos-Mikroben-Symbiose wesentlich ist. Ohne das saure Milieu interagieren Cyanobakterien nicht mit dem Moos und widmen stattdessen ihre Stickstoffvorräte ihrem eigenen Wachstum.

„Dies beantwortet eine seit langem bestehende ökologische Frage zu Mooren im Vergleich zu Mooren“, sagte Weston. „Sümpfe sind Feuchtgebiete mit einem höheren pH-Wert, und die Cyanobakterien fixieren in diesen Ökosystemen viel Stickstoff. Aber man sieht in Niedermooren sehr wenig Moos.“

Der pH-Befund weist auch auf einen möglichen Weg zur Überwachung und Bewirtschaftung von Torfmooren in der Zukunft hin, um das saure Milieu aufrechtzuerhalten, das die Moos-Mikroben-Symbiose begünstigt. Die Partnerschaft hält Moos gesund und erfüllt seine entscheidenden Funktionen, indem es Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufnimmt und in den feuchten Tiefen des Moores einschließt, wodurch die metertiefen Schichten uralten Pflanzenmaterials ergänzt werden.

„Ich bin etwas optimistisch, dass, wenn wir diese Schlüssel zu symbiotischen Interaktionen verstehen, uns das vielleicht eine andere Methode oder einen Mechanismus geben wird, durch den Systeme widerstandsfähiger gegen das Klima werden können“, sagte Weston.