Untersuchung der entscheidenden Rolle von Mikroben für die Gesundheit von Küstenpflanzen

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

Diese als Cordgrass bekannte Pflanze ist ein Ökosystemingenieur, der Wildtieren Lebensraum bietet, das Wasser auf seinem Weg vom Binnenland ins Meer auf natürliche Weise reinigt und die Küstenlinie zusammenhält, damit es nicht einstürzt. Spartina schützt sogar menschliche Gemeinschaften vor Flutwellen.

Zu verstehen, wie diese Pflanzen gesund bleiben, ist von entscheidender ökologischer Bedeutung. Ein bekannter und weit verbreiteter Pflanzenstressor in Sumpfböden ist beispielsweise die gelöste Schwefelverbindung Sulfid, die von Bakterien produziert und verbraucht wird. Doch obwohl die Küste Georgiens auf eine reiche Tradition in der ökologischen Forschung zurückblickt, bleibt es schwierig, die differenzierte Art und Weise zu verstehen, in der 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 wurde in veröffentlicht Natürliche Kommunikation.

Joel Kostka, Tom and Marie Patton Distinguished Professor und außerordentlicher Forschungslehrstuhl an der School of Biological Sciences, und Jose Luis Rolando, Postdoktorand, machten sich daran, die Beziehung zwischen Spartina alterniflora und den mikrobiellen Gemeinschaften, die ihre Wurzeln bewohnen, zu untersuchen. , Identifizierung von Bakterien und ihrer Rolle.

„So wie Menschen Darmmikroben haben, die uns gesund halten, sind Pflanzen für Gesundheit, Immunität, Stoffwechsel und Nährstoffaufnahme auf Mikroben in ihrem Gewebe angewiesen“, sagte Kostka. „Obwohl wir seit langem über die Reaktionen Bescheid wissen, die den Nährstoff- und Kohlenstoffkreislauf in Sümpfen antreiben, gibt es nicht so viele Daten über die Rolle von Mikroben bei der Funktionsweise von Ökosystemen.“

Im Sumpf

Eine der wichtigsten Arten, wie 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 hauptsächlich Heterotrophen zugeschrieben, also Bakterien, die wachsen und ihre Energie aus organischem Kohlenstoff beziehen. Bakterien, die das Pflanzengift Sulfid verbrauchen, sind chemoautotroph und nutzen die Energie der Sulfidoxidation, um die Aufnahme von Kohlendioxid voranzutreiben und so ihren eigenen organischen Kohlenstoff herzustellen, der für das Wachstum benötigt wird.

„Aus früheren 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 atmen und Sulfid produzieren, eine bekannte Pflanze.“ „Toxin“, sagte Rolando. „Wir wollten mehr über die Rolle dieser verschiedenen Schwefelbakterien im Stickstoffkreislauf erfahren.“

Kostka und Rolando reisten 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 und Proben des schlammigen Sediments, das an ihren Wurzeln haftete. Zurück im Feldlabor versammelte sich das Team um ein mit Bachwasser gefülltes Becken, wusch sorgfältig das Gras und trennte vorsichtig die Wurzeln von den Pflanzen.

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

Mithilfe einer Sequenzierungstechnologie, die als Shotgun-Metagenomics bekannt ist, konnten sie DNA aus der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft gewinnen und die 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 entdeckten sie, dass schwefeloxidierende chemoautotrophe Bakterien auch an der Stickstofffixierung beteiligt sind. Diese Bakterien helfen den Pflanzen nicht nur bei der Entgiftung des Wurzelbereichs, sondern spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Stickstoffversorgung der Pflanzen. Diese doppelte Rolle von Bakterien beim Schwefelkreislauf und der Stickstofffixierung unterstreicht ihre Bedeutung für Küstenökosysteme 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 fanden jedoch heraus, dass mikrobielle Gemeinschaften in Spartina-Wurzeln zur Entgiftung von Sulfid beitragen und dadurch die Gesundheit und Widerstandsfähigkeit der Pflanzen verbessern.“

Lokale bis globale Bedeutung

Cordgrases sind nicht nur die Hauptakteure in den Sumpfgebieten von Georgia; Sie dominieren auch sumpfige Landschaften im gesamten Südosten, einschließlich der Carolinas und der Golfküste. Darüber hinaus fanden Forscher heraus, dass dieselben Bakterien mit den Wurzeln von Cordgras, Mangroven und Seegras in den Küstenökosystemen der Welt in Verbindung gebracht werden.

„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.“

Mit Blick auf die Zukunft planen die Forscher, detaillierter zu untersuchen, wie Sumpfpflanzen und Mikroben Stickstoff und Kohlenstoff austauschen. Dabei kommen modernste Mikroskopietechniken in Verbindung mit ultrahoher Massenspektrometrie-Auflösung zum Einsatz, um ihre Ergebnisse auf Einzelzellebene 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 komplexen 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.“