Untersuchung der entscheidenden Rolle von Mikroben für die Gesundheit von Küstenpflanzen

Die Salzwassersümpfe Georgiens – dort, wo das Land auf den Ozean trifft – erstrecken sich entlang der gesamten 100-Meilen-Küste des Staates. Diese reichen Ökosysteme werden größtenteils von nur einer Pflanze dominiert: Gras.

Die als Cordgrass bekannte Pflanze ist ein Ökosystemingenieur, der Lebensräume für Wildtiere bietet, das Wasser auf natürliche Weise reinigt, wenn es vom Landesinneren ins Meer fließt, und die Küstenlinie zusammenhält, damit sie nicht einstürzt. Cordgrass schützt sogar menschliche Gemeinschaften vor Flutwellen.

Zu verstehen, wie diese Pflanzen gesund bleiben, ist von entscheidender ökologischer Bedeutung. Ein bekannter Pflanzenstressor, der in Sumpfböden vorherrscht, ist beispielsweise die gelöste Schwefelverbindung Sulfid, die von Bakterien produziert und verbraucht wird. Doch während die Küste von Georgia auf eine reiche Tradition ökologischer Forschung zurückblicken kann, ist es bislang schwierig, die differenzierte Art und Weise zu verstehen, wie Bakterien mit Pflanzen in diesen Ökosystemen interagieren. Dank der jüngsten Fortschritte in der Genomtechnologie haben Biologen der Georgia Tech damit begonnen, noch nie dagewesene ökologische Prozesse aufzudecken.

Die Arbeit des Teams war veröffentlicht In Naturkommunikation.

Joel Kostka, Tom and Marie Patton Distinguished Professor und außerordentlicher Lehrstuhlinhaber für Forschung an der School of Biological Sciences, und Jose Luis Rolando, Postdoktorand, machten sich daran, die Beziehung zwischen dem Cordgras Spartina alterniflora und den mikrobiellen Gemeinschaften, die in seinen Wurzeln leben, zu untersuchen , Identifizierung der Bakterien und ihrer Rolle.

„So wie Menschen Darmmikroben haben, die uns gesund halten, sind Pflanzen für ihre Gesundheit, Immunität, ihren Stoffwechsel und ihre Nährstoffaufnahme auf Mikroben in ihrem Gewebe angewiesen“, sagte Kostka. „Während wir schon seit langem über die Reaktionen Bescheid wissen, die den Nährstoff- und Kohlenstoffkreislauf im Sumpfgebiet antreiben, gibt es nicht so viele Daten über die Rolle von Mikroben bei der Funktion des Ökosystems.“

Draußen im Sumpf

Ein wichtiger Weg, über den Pflanzen ihre Nährstoffe erhalten, ist die Stickstofffixierung, ein Prozess, bei dem Bakterien Stickstoff in eine Form umwandeln, die Pflanzen nutzen können. In Sümpfen wird diese Rolle meist Heterotrophen zugeschrieben, also Bakterien, die wachsen und ihre Energie aus organischem Kohlenstoff beziehen. Bakterien, die das Pflanzengift Sulfid verbrauchen, sind Chemoautotrophen und nutzen die Energie aus der Sulfidoxidation, um die Aufnahme von Kohlendioxid voranzutreiben und so ihren eigenen organischen Kohlenstoff für das Wachstum herzustellen.

„Durch frühere Arbeiten wussten wir, dass Spartina alterniflora Schwefelbakterien in ihren Wurzeln hat und dass es zwei Arten gibt: schwefeloxidierende Bakterien, die Sulfid als Energiequelle nutzen, und Sulfatreduzierer, die Sulfat veratmen und Sulfid, ein bekanntes Toxin, produzieren.“ für Pflanzen“, sagte Rolando. „Wir wollten mehr über die Rolle dieser verschiedenen Schwefelbakterien im Stickstoffkreislauf erfahren.“

Kostka und Rolando machten sich auf den Weg nach Sapelo Island, Georgia, wo sie regelmäßig Feldforschung in den Salzwiesen durchführten. Mit Schaufeln und Eimern in der Hand wateten die Forscher und ihre Schüler durch das Sumpfgebiet und sammelten Kordelgras sowie schlammige Sedimentproben, die an seinen Wurzeln haften. Zurück im Feldlabor versammelte sich das Team um ein mit Bachwasser gefülltes Becken, wusch sorgfältig das Gras und trennte vorsichtig die Pflanzenwurzeln.

Als nächstes verwendeten sie eine spezielle Technik, bei der schwerere Versionen chemischer Elemente, die in der Natur vorkommen, als Tracer eingesetzt wurden, um die mikrobiellen Prozesse zu verfolgen. Sie analysierten auch die DNA und RNA der Mikroben, die in verschiedenen Kompartimenten der Pflanzen leben.

Mithilfe einer Sequenzierungstechnologie, die als Shotgun-Metagenomics bekannt ist, konnten sie die DNA aus der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft entnehmen und Genome neu entdeckter Organismen rekonstruieren. In ähnlicher Weise konnten sie durch ungezielte RNA-Sequenzierung der Mikrobengemeinschaft beurteilen, welche Mikrobenarten und spezifischen Funktionen in enger Verbindung mit Pflanzenwurzeln aktiv waren.

Mit dieser Kombination von Techniken fanden sie heraus, dass chemoautotrophe schwefeloxidierende Bakterien auch an der Stickstofffixierung beteiligt sind. Diese Bakterien halfen den Pflanzen nicht nur bei der Entgiftung des Wurzelbereichs, sondern spielten auch eine entscheidende Rolle bei der Stickstoffversorgung der Pflanzen. Diese Doppelrolle der Bakterien beim Schwefelkreislauf und der Stickstofffixierung unterstreicht ihre Bedeutung in Küstenökosystemen und ihren Beitrag zur Pflanzengesundheit und zum Pflanzenwachstum.

„Pflanzen, die in Gebieten mit hoher Sulfidelansammlung wachsen, sind tendenziell kleiner und weniger gesund“, sagte Rolando. „Wir haben jedoch herausgefunden, dass die mikrobiellen Gemeinschaften in den Spartina-Wurzeln zur Entgiftung des Sulfids beitragen und so die Gesundheit und Widerstandsfähigkeit der Pflanzen verbessern.“

Lokale bis globale Bedeutung

Schnurgräser sind nicht nur die Hauptakteure in den Sümpfen von Georgia; Sie dominieren auch Sumpflandschaften im gesamten Südosten, einschließlich der Carolinas und der Golfküste. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass dieselben Bakterien mit Cordgras-, Mangroven- und Seegraswurzeln in Küstenökosystemen auf der ganzen Welt in Verbindung stehen.

„Ein Großteil der Küstenlinie in tropischen und gemäßigten Klimazonen ist von Küstenfeuchtgebieten bedeckt“, sagte Rolando. „Diese Gebiete beherbergen wahrscheinlich ähnliche mikrobielle Symbiosen, was bedeutet, dass diese Interaktionen das Funktionieren von Ökosystemen auf globaler Ebene beeinflussen.“

Für die Zukunft planen die Forscher, die Einzelheiten darüber, wie Sumpfpflanzen und Mikroben Stickstoff und Kohlenstoff austauschen, weiter zu erforschen, indem sie modernste Mikroskopietechniken in Verbindung mit ultrahochauflösender Massenspektrometrie einsetzen, um ihre Ergebnisse an der einzelnen Zelle zu bestätigen Ebene.

„Die Wissenschaft folgt der Technologie, und wir waren begeistert, die neuesten genomischen Methoden zu verwenden, um zu sehen, welche Arten von Bakterien vorhanden und aktiv waren“, sagte Kostka. „Über die komplizierten Beziehungen zwischen Pflanzen und Mikroben in Küstenökosystemen gibt es noch viel zu lernen, und wir beginnen, das Ausmaß der mikrobiellen Komplexität aufzudecken, die Sümpfe gesund hält.“