Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass Pilze, die in gesunden Pflanzen leben, empfindlich auf den Klimawandel reagieren

Fichten, Kiefern, Tannen und andere Bäume ragen über die kalten Landstriche, die Nordamerika, Nordeuropa und Russland in einem großen Ring rund um die Welt umfassen. Diese borealen Wälder bilden das größte Landökosystem und die nördlichsten Wälder der Erde.

Eingebettet in das photosynthetische oder lichtfressende Gewebe der borealen Bäume – und in die üppigen wolkenartigen Flechten und gefiederten Moose, die den Boden zwischen ihnen bedecken – befinden sich Pilze. Diese Pilze sind Endophyten, das heißt, sie leben in Pflanzen, oft in einer für beide Seiten vorteilhaften Anordnung.

„Eine Pflanze zu sein bedeutet, in einer Pilzwelt zu leben“, sagte Betsy Arnold, Professorin an der School of Plant Sciences am College of Agriculture, Life and Environmental Sciences und der Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie am College of Science and Science Mitglied des Bio5-Instituts. „Endophytische Pilze sind für die Gesundheit von Pflanzen auf eine Weise von entscheidender Bedeutung, die noch nicht vollständig geklärt ist. Was wir jedoch von Endophyten im Allgemeinen wissen, ist, dass sie Pflanzen sehr gut vor Krankheiten schützen und Pflanzen dabei helfen, widerstandsfähiger gegen Umweltstress zu werden.“ , wie Wärme. Sie waren Teil einer wichtigen Revolution in unserem Denken über Pflanzen.“

Vor über einem Jahrzehnt begaben sich Arnold und ihr Team auf ein einmonatiges Abenteuer tief in die Wildnis im Nordosten Kanadas, um zu verstehen, wie sich diese Pilzarten an verschiedene Mikroumgebungen angepasst haben und wie es ihnen mit dem künftigen Klimawandel ergehen könnte.

Sie stellten fest, dass die Pilze sehr vielfältig sind und dass sie sich auf sehr spezifische Weise an die örtlichen Gegebenheiten angepasst haben, was bedeutet, dass sie empfindlich auf zukünftige Klimaveränderungen reagieren werden. Da die Gesundheit von Pilzen so eng mit der Gesundheit ihrer Wirte verknüpft ist, haben diese Erkenntnisse Auswirkungen auf die allgemeine Gesundheit künftiger borealer Wälder und auf unseren Planeten.

„Boreale Wälder sind von zentraler Bedeutung für die Kohlenstoff- und Wasserkreisläufe unseres Planeten“, sagte Arnold. „Und unsere Arbeit zeigt, dass sie die Heimat einiger der evolutionär vielfältigsten Pilz-Endophyten der Welt sind – Endophyten, die nirgendwo sonst zu finden sind.“

Nach über einem Jahrzehnt der Analyse waren ihre Ergebnisse veröffentlicht im Tagebuch Aktuelle Biologie.

„Unsere gemeinsame Studie beleuchtet die Vielfalt neu entdeckter endophytischer Pilze im borealen Biom und ihre Empfindlichkeit gegenüber dem Klima“, sagte der Co-Hauptautor der Studie, Shuzo Oita, der seine Doktorarbeit in Arnolds Labor abschloss und jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Sumitomo ist Chemical Co., Ltd. „Endophyten werden oft übersehen, weil sie in gesunden Pflanzengeweben vorkommen, aber ihre Bedeutung für die Artenvielfalt und Ökosysteme wurde kürzlich entdeckt.“

Fliegen für Pilze

Das Sammeln der Daten, um zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen, sei eine gigantische Anstrengung gewesen, die Arnold und ihre Kollegen die intensivste Feldforschung ihres Lebens erfordert habe, sagte sie.

Im Sommer 2011 beauftragte das Team einen Monat lang einen erfahrenen Piloten, „um Orte zu erreichen, an die keine Straßen führen“, sagte Arnold. Das sechsköpfige Team durchquerte die südlichen borealen Wälder Kanadas bis zum Rand der arktischen Tundra und landete sein Wasserflugzeug unterwegs in Seen.

Sechsunddreißig Mal starteten und landeten sie zwischen abgelegenen Seen, die die Landschaft prägen. Normalerweise verbrachten sie etwa sechs bis 24 Stunden an jeder Probenahmestelle.

Tagsüber sammelten sie gesunde Fichtenblätter sowie frische Moose und Flechten vom Boden und verstauten unterwegs ihre wissenschaftlichen Schätze in verschließbaren Beuteln. Sie bohrten auch Baumringkerne in der Hoffnung, ihre Vergangenheit aufzudecken, etwa ihr Alter und die Gefährdung durch Waldbrände. Sie haben auch verschiedene Waldmerkmale gemessen, um zu verstehen, wie sich Pflanzen in der Landschaft unterscheiden.

Nachts, wenn das Nordlicht über ihnen flatterte, verarbeiteten sie ihre Proben in tragbaren Labors in den Pilotenquartieren. Sie sterilisierten frische Gewebe an der Oberfläche, um sie für die DNA-Extraktion vorzubereiten, und isolierten Pilzkulturen, um in ihren Proben lebende Stämme sichtbar zu machen und zu dokumentieren.

„Wir arbeiteten oft bis 2 oder 3 Uhr morgens und schliefen ein paar Stunden, bevor wir zum nächsten Einsatzort weiterflogen“, sagte Arnold. Die langen Tage haben sich gelohnt: „In der Welt der Pilze ist eine Stunde Feldforschung ein Jahr der Charakterisierung und ein Jahrzehnt der Potenzialanalyse. Und in nur wenigen Wochen haben wir viel erreicht.“

Während sie von den wärmeren südlichen Regionen in den kälteren Norden reisten, wiederholten sie ihre Probenahmen in Abständen von etwa 100 Meilen. Sie haben auch Proben entlang eines einzelnen Breitengradbandes genommen, der ebenso groß war, aber nur sehr geringe Klimaveränderungen darstellte, sagte Arnold.

Sie haben in diesen beiden Dimensionen strategisch Proben genommen, um sicherzustellen, dass alle Unterschiede in der Artenvielfalt der Pilze tatsächlich auf Unterschiede in der Umgebung und nicht nur auf die Entfernung allein zurückzuführen sind. Zusammen flogen sie fast 1.500 Meilen in der DeHavilland Otter, die ihr Mobilheim war, und teilten sich ihren Reiseraum oft mit zusätzlichen Treibstofftanks.

Ältere Studien haben den Zusammenhang zwischen Biodiversität und Breitengrad untersucht, der oft als Proxy für das Klima verwendet wird. Diese Studien ergaben, dass das Leben näher am Äquator im Allgemeinen vielfältiger wird, sagte Arnold. Beispielsweise weisen viele Organismengruppen in tropischen Regenwäldern eine größere Artenvielfalt auf als diejenigen in der arktischen Tundra.

Es stellt sich heraus, dass es bei Pilzen in der borealen Zone nicht so einfach ist.

„Wir zeigen, dass sich boreale Pilzgemeinschaften nicht unbedingt auf die gleiche vorhersehbare Weise mit dem Klima verändern wie Pflanzengemeinschaften. Stattdessen hängt der Einfluss des Klimas auf diese Pilze stark sowohl von der Pilzart als auch vom Wirt ab“, sagte Co-Hauptautor Jana U’Ren, die ihre Doktorarbeit abschloss und als Postdoktorandin bei Arnold die Laboranalysen für dieses Projekt durchführte, bevor sie an die Washington State University wechselte. „Das bedeutet, dass wir Pflanzen und ihre Pilzendophyten im gesamten borealen Biom und nicht nur an einem Ort schützen müssen, sonst riskieren wir den Verlust lebenswichtiger Artenvielfalt und schützender Pilze in diesen wichtigen Wäldern.“

Arnold glaubt, dass die besondere Klimaabhängigkeit dieser Pilz-Endophyten einen Prozess der Koevolution mit ihren Wirten widerspiegelt – oder „Forschung und Entwicklung“, wie sie es nannte –, während Pflanzen den idealen Endophyten-Partner finden und trotz der besonderen Belastungen, denen Pflanzen ausgesetzt sind, gedeihen in diesen rauen nördlichen Landschaften.

„Endophyten kommen auf der ganzen Welt vor, aber es gibt unterschiedliche Arten in unterschiedlichen Umgebungen. Wir glauben, dass Symbiosen mit Endophyten zum Teil die Art und Weise sind, wie Pflanzen Umweltherausforderungen auf globaler Ebene meistern – das heißt mit ihren internen Pilzpartnern“, sagt Arnold sagte.

„Es gibt nicht viele Informationen darüber, was genau ein einzelner Endophyt für eine einzelne Pflanze tut. Daher ist unsere Studie insofern grundlegend, als wir versucht haben herauszufinden, wer diese Endophyten sind, wie sie verteilt sind und wie sie wirken könnten.“ Veränderung mit einem sich verändernden Klima.

Sie hofft, dass zukünftige Forschungen auf ihren Erkenntnissen aufbauen können.

„Was wir wissen ist, dass wir diese Artenvielfalt verlieren, wenn sich diese Wälder verändern, und wir wissen noch nicht, was die wichtigsten Funktionselemente sind“, sagte sie.

Mitarbeiter François Lutzoni, Professor für Biologie an der Duke University und Co-Architekt dieser Studie mit Arnold, stimmte zu.

„Das war eine der komplexesten Feldforschungen, die ich je gemacht habe, aber auch eine der aufregendsten Forschungserfahrungen, die ich je gemacht habe“, sagte Lutzoni.

„Die Dokumentation der Biodiversität in unserer sich verändernden Welt ist unerlässliche Forschung. Die von uns gesammelten Exemplare werden in Herbarien hinterlegt und sind daher von bleibendem Wert, um zu verstehen, wie sich Arten, ihre Verbreitung, ihre Gene und die Ökosysteme, in denen sie leben, im Laufe der Zeit verändern. Dies wiederum ist der beste Weg.“ Damit Herbarien der wissenschaftlichen Gemeinschaft dienen können, ist die Integration in Forschungslabore an Weltklasse-Universitäten erforderlich.“

Mit dieser Denkweise arbeitet Arnold nun daran, einheimische Endophyten aus Arizona zu nutzen, um die Widerstandsfähigkeit von Nutzpflanzen in dieser sich verändernden Welt zu verbessern.

„Genauso wie die borealen Wälder eine unerwartete Vielfalt an Endophyten beherbergen, gibt es auch bei den Pflanzen hier in Arizona eine unerwartete Vielfalt“, sagte Arnold. „Unsere nächsten Schritte bestehen darin, diese reichen und uralten Endophyten als Werkzeuge für das Gedeihen von Pflanzen zu nutzen. Letztendlich hoffen wir, dass wir durch das Verständnis dieser Pilze auf globaler Ebene nicht nur die Vergangenheit und Zukunft eines Schlüsselelements der Artenvielfalt unseres Planeten aufzeichnen können.“ , aber wir können sie auch in unseren lokalen Gebieten nutzen, um Pflanzen trotz begrenztem Wasser und steigenden Temperaturen gedeihen zu lassen. Man könnte sagen, dass die Zukunft im Pilz liegt.“

Weitere Co-Autoren sind Jolanta Miadlikowska von der Duke University, Bernard Ball vom University College Dublin und der Duke University, Ignazio Carbone von der North Carolina State University, Georgiana May von der University of Minnesota, Naupaka B. Zimmerman von der University of San Francisco, Denis Valle von der University of Florida und Valerie Trouet vom University of Arizona Laboratory of Tree Ring Research.