Längere Dürreperioden, gefolgt von plötzlichen Regenschauern – wie schaffen es Bakterien im Wüstenboden, unter solch rauen Bedingungen zu überleben? Diese seit langem diskutierte Frage hat nun ein ERC-Projekt unter der Leitung der Mikrobiologin Dagmar Woebken vom Center for Microbiology and Environmental Systems Science (CeMESS) der Universität Wien beantwortet.
Die Studie zeigt, dass Wüstenbodenbakterien sehr gut geeignet sind, die schnellen Umweltveränderungen zu überleben, die bei jedem Niederschlagsereignis auftreten. Diese Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Trockengebiete bedecken über 46 % der weltweiten Landfläche und nehmen nicht nur aufgrund des Klimawandels, sondern auch aufgrund nicht nachhaltiger Landbewirtschaftungspraktiken zu. Während Pflanzen in Wüsten selten anzutreffen sind, gedeiht unsichtbares Leben unter der Erde. Mikroorganismen, die sich in der sogenannten Biokruste (den obersten Millimetern bis Zentimetern des Wüstenbodens) befinden, reichern den Boden mit Kohlenstoff und Stickstoff an und helfen außerdem, Bodenerosion zu verhindern und Wasser zu speichern. Diese Mikroben leben jedoch in einer anspruchsvollen Umgebung und sind mit langen Dürreperioden und seltenem Regen konfrontiert.
Bisher war unklar, wie sie unter solchen Bedingungen wichtige Ökosystemfunktionen aufrechterhalten können. Mithilfe modernster Methoden der mikrobiellen Ökologie gewann das Team um Dagmar Woebken Einblicke in das mikrobielle Leben in diesen Böden.
Wüstenbodenbakterien überstehen lange Dürreperioden in einem Ruhezustand, werden jedoch als Reaktion auf Regenereignisse, die kurz und sehr selten sind, reaktiviert. Die Forscher entdeckten eine Art „All-in“-Reaktivierungsstrategie in den Biokrusten der Negev-Wüste, Israel. Die Bakterien nutzen Niederschlagsereignisse optimal aus – innerhalb dieses engen Aktivitätsfensters wird nahezu die gesamte mikrobielle Bodenvielfalt (sowie einzelne Zellen) aktiv.
„Wenn wir ein Niederschlagsereignis im Labor simulieren, beobachten wir, dass innerhalb der ersten 15 bis 30 Minuten fast alle taxonomischen Gruppen von einem Ruhemodus in einen aktiven Modus wechselten“, erklärt Dimitri Meier, Co-Erstautor der Studie. „Dies ist eine bemerkenswerte Eigenschaft von Wüstenbodenbakterien, da in anderen Bodenarten viele Bakteriengruppen viel länger brauchen, um sich zu reaktivieren.“ Bei einer Reaktivierung würden die Bakterien schnell beginnen, Energie zu erzeugen und ihr Genom zu reparieren.
In der Studie simulierten die Forscher Niederschlagsereignisse mit stabil isotopenmarkiertem Wasser – Wasser, das schweren Wasserstoff enthielt. Mithilfe von NanoSIMS untersuchten sie einzelne Zellen, um zu sehen, welche von ihnen die schweren Wasserstoffatome eingebaut hatten.
„Mit diesem Ansatz können wir den Anteil der Biokrustenzellen aufdecken, die bei einem Regenereignis reaktivieren. Wir können auch ableiten, ob sie bei kurzen Regenereignissen wachsen können, die in trockenen Wüsten oft nur ein bis zwei Tage dauern“, erklärt Stefanie Imminger, Ph .D. Kandidat und Co-Erstautor der Studie.
„Wir haben herausgefunden, dass sich fast alle Biokrustenzellen reaktivieren, bei diesen kurzen Regenereignissen jedoch nur ein kleiner Teil der Zellen in der Lage wäre, sich zu verdoppeln.“ Ein großer Teil der Biokrustenzellen kann also Regenereignisse nutzen, um sich zu regenerieren und sich auf die nächste Dürre vorzubereiten, eine Zellteilung findet jedoch nicht statt.
„Diese Daten helfen uns zu verstehen, wie Biokrustenbakterien die kurzen Aktivitätsfenster, die sie in Wüsten erleben, optimal nutzen. Sie sind ideal dafür geeignet, kurzfristige Änderungen des Bodenwassergehalts zu überstehen, eine sehr stressige Situation für die Zellen. Dadurch können sie überleben.“ der plötzliche Anstieg des Wassergehalts bei Regen sowie die anschließende Austrocknung.
„Darüber hinaus ist die vielfältige Mikrobengemeinschaft in der Lage, sich sofort zu reaktivieren, was von großem Vorteil ist, wenn sie innerhalb weniger Stunden bis Tage in einen Ruhezustand zurückkehren muss“, sagt Dagmar Woebken, Hauptforscherin der Studie.
Die Ergebnisse dieser Studie sind nicht nur für Wüstengebiete, sondern auch für andere Regionen relevant. Die Fähigkeit, die Wasserknappheit zu überleben, wird für Bodenmikroorganismen in gemäßigten Regionen immer wichtiger, da die Häufigkeit und Intensität von Dürren aufgrund des Klimawandels zunimmt. Erkenntnisse aus der Wüstenbodenforschung können helfen zu verstehen, welche Eigenschaften es Bodenmikroorganismen ermöglichen, diese Herausforderungen erfolgreich zu überstehen.
Mehr Informationen:
Überleben und schnelle Wiederbelebung ermöglichen eine begrenzte Produktivität in mikrobiellen Gemeinschaften in der Wüste. Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-46920-6