Salzwiesengras an der Küste von Georgia erhält Nährstoffe für sein Wachstum von nützlichen Bakterien in seinen Wurzeln

Salzwiesen bedecken einen Großteil der Küste des Bundesstaates Georgia und erbringen wichtige „Ökosystemleistungen“ für die Menschen. Sie reinigen das Wasser, schützen Küsten vor Sturmfluten und bieten Fischen und Schalentieren einen Lebensraum. Eine neue Studie eines Forscherteams der Georgia Tech School of Biological Sciences stellt fest, dass eine Grasart, die diese Sümpfe dominiert, Bakterien in ihren Wurzeln und im umgebenden Boden hat, die die Produktivität beeinträchtigen, indem sie Nährstoffe liefern, was die Bedeutung von Bodenmikroorganismen im gesamten Ökosystem hervorhebt.

Die Studie „Das Kernwurzelmikrobiom von Spartina alterniflora wird von schwefeloxidierenden und sulfatreduzierenden Bakterien in den Salzwiesen von Georgia, USA, dominiert“ ist in veröffentlicht Mikrobiom. Das Forschungsteam umfasst Georgia Tech Ph.D. die Studenten Jose Rolando (Hauptautor der Studie) und Tianze Song; Max Kolton, ein ehemaliger Postdoktorand, jetzt Senior Lecturer und Principal Investigator an der Ben-Gurion University of the Negev in Beer Sheva, Israel; und der korrespondierende Autor Joel Kostka, Professor und außerordentlicher Lehrstuhl für Forschung an der School of Biological Sciences mit einer gemeinsamen Berufung an der School of Earth and Atmospheric Sciences, der auch Mitglied des Georgia Tech Center for Microbial Dynamics and Infection ist.

Die Studie zeigt, dass vielfältige und reichlich vorhandene Mikroben, die mit Spartina-Schnorngras assoziiert sind, dazu beitragen, organische Sedimente zu mineralisieren und bioverfügbare Nährstoffe an die Pflanze abzugeben, was darauf hindeutet, dass die Mikroben zur Unterstützung der Pflanzenproduktivität beitragen.

Die Arbeit könnte Bemühungen zur Wiederherstellung von Salzwiesen unterstützen, die dazu beitragen werden, die Küsten zu stärken, damit sie angesichts des Anstiegs des Meeresspiegels und des Klimawandels widerstandsfähiger sind.

Kostka sagt, dass etwa 40 % der Salzwiesen in den USA in den letzten 100 Jahren verschwunden sind. „Die Wiederherstellung von Küstenökosystemen ist also zu einem riesigen Feld geworden, mit einem wichtigen Ziel, Sümpfe zu bewirtschaften oder wiederherzustellen, damit sie den Menschen weiterhin wichtige Ökosystemleistungen erbringen“, erklärt er.

Kostka fügt hinzu, dass bestimmte Bakterien den Pflanzen nicht nur zugute kommen, indem sie potenziell giftiges Sulfid aus der Wurzelzone entfernen, sondern auch, indem sie der Pflanze Nährstoffe und möglicherweise Kohlenstoff zuführen. „Mit anderen Worten, dies ist ein Beispiel dafür, wie wir denken, dass die klassischen Linien durch das, was wir allgemein als Autotrophe (Pflanzen, die durch Photosynthese wachsen) und Heterotrophe (Mikroben) in Ökosystemen betrachten, verwischt werden könnten.“

Schwefel in den Wurzeln

Die Studie wurde 2018 und 2019 in Salzwiesen in der Nähe von Sapelo und den Skidaway-Inseln an der Küste von Georgia durchgeführt. Dort spült Meerwasser über die Gräser der Salzwiesen, und dieses Wasser ist reich an Sulfat. „Sulfid ist ein Phytotoxin oder Pflanzengift“, sagt Kostka. „Viel Sulfid wird Pflanzen töten oder sie zumindest stressen, aber wenn man nur ein bisschen (zu Spartina alterniflora) hinzufügt, heizt es mikrobielle Fabriken in den Pflanzenwurzeln an.“

Kostkas Team fand heraus, dass Spartina alterniflora konzentrierte Schwefelbakterien in ihren Wurzeln hat, und diese Bakterien gehören zu zwei Kategorien: Schwefeloxidierer, die Sulfid als Energiequelle verwenden – „dann gibt es Sulfatreduzierer, die Sulfat aus Meerwasser atmen oder veratmen und Sulfid produzieren. „

In dieser mikrobiellen Zellfabrik verwenden Bakterien Sulfid als Energiequelle, um Stickstoff – und möglicherweise Kohlenstoff – zu fixieren, der dann an die Gräser weitergegeben wird. Stickstofffixierung findet statt, wenn eine Mikrobe Stickstoffgas aus Luft oder Wasser aufnimmt und daraus nutzbares Ammonium macht. In der Natur führen Bodenmikroben diesen Prozess hauptsächlich durch – gelegentlich können Blitze in der Atmosphäre ihn auch auslösen.

Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass die Fixierung durch Chemoautotrophie (unter Verwendung chemischer Reaktionen zur Energiegewinnung) durch Bakterien erfolgt, die in den Pflanzenwurzeln leben.

„Das nächste Kapitel dieser Geschichte besteht darin, zu erfahren, wie die Pflanze und die Bakterien Stickstoff austauschen und wie dieser Austausch von der Umwelt gesteuert wird“, sagt Kostka. „Wir wissen auch, dass diese Bakterien Kohlenstoff binden können und möglicherweise Kohlenstoff an die Pflanze weitergeben. Die Pflanze hat möglicherweise eine Zellfabrik, die Biomasse aus chemischer Energie und nicht aus Photosynthese herstellt.“

Klimahinweise in Pflanzen finden

Die Forschung der neuen Studie in salzigen Feuchtgebieten ähnelt der klimabezogenen Arbeit, die Kostka an Torfmoosen in Süßwassermooren in der Forschungseinrichtung Spruce and Peatland Responses Under Changing Environments (SPRUCE) im Norden von Minnesota leitet. Die Einrichtung wird vom Forstdienst des US-Landwirtschaftsministeriums und dem Oak Ridge National Laboratory verwaltet.

Eine 2021 veröffentlichte Studie von Kostka und seinem Team zeigte, dass sich erwärmende Torfmoore größere Mengen des darin eingeschlossenen Treibhausgases Methan freisetzen. Torfgebiete machen nur etwa 3 % der Landmasse der Erde aus, aber sie speichern etwa ein Drittel des Bodenkohlenstoffs der Erde. Wenn sie sich erwärmen, können Moore auch damit beginnen, mehr Kohlenstoff zusammen mit ihrem Methan in Ökosysteme freizusetzen, ein schädlicher Doppelschlag für die Umwelt.

Die Salzwassersümpfe, die Kostkas Team untersucht, wurden auch als „Blue Carbon“-Senken bezeichnet, weil sie den Klimawandel abmildern, indem sie weltweit große Mengen an Kohlenstoff aus der Atmosphäre binden. „Salz- oder Küstenmarschen sind nicht nur als Lebensraum für Fische und Schalentiere von entscheidender Bedeutung, die wir gerne essen – zusammen mit anderen bewachsenen Küstenökosystemen – sie speichern genauso viel oder mehr Kohlenstoff als der Rest des Meeresbodens“, sagt Kostka.

Ein Triumph für Omics und was als nächstes kommt

Kostka schreibt „Omics“, Technologien, die die Untersuchung von Mikroben in der Umwelt ohne Kultivierung ermöglichen, für Fortschritte bei der Aufdeckung von Mikrobiomen zu – alle Mikroorganismen in einer bestimmten Umgebung. Metagenomik und Metatranskriptomik, die Sequenzierung aller Gene oder exprimierter Gene in der Umwelt, ermöglicht es Wissenschaftlern, das Potenzial von Mikroben zur Durchführung wichtiger Ökosystemfunktionen wie Stickstofffixierung aufzuzeichnen. Dies ist entscheidend, da nur sehr wenige Mikroben aus der großen Vielfalt, die es da draußen gibt, im Labor gezüchtet werden können, erklärt Kostka.

„Die Arbeit ist ein weiteres Beispiel dafür, wie wir pflanzliche Mikrobiome aufdecken – die Mikroben, die in oder auf dem Gewebe umweltrelevanter Pflanzen leben und den Pflanzen helfen, besser zu wachsen“, fügt Kostka hinzu. „Wenn wir den Wurzeln Mikroben hinzufügen können, wenn wir sie pflanzen, und somit das Überleben dieser Pflanzen erhöhen, können wir die Wiederherstellungsbemühungen verbessern.“