Wissenschaftler entdecken, wie Bodenmikroben in rauen Wüstenumgebungen überleben

Längere Dürreperioden, gefolgt von plötzlichen Regenfällen: Wie überleben Wüstenbodenbakterien unter solch rauen Bedingungen? Ein ERC-Projekt unter der Leitung der Mikrobiologin Dagmar Woebken vom Center for Microbiology and Environmental Systems Science (CeMESS) der Universität Wien hat diese seit langem diskutierte Frage beantwortet.

Die Studie zeigt, dass Wüstenbodenbakterien sehr gut geeignet sind, die schnellen Umweltveränderungen zu überleben, die mit jedem Regenereignis einhergehen. Diese Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natürliche Kommunikation.

Trockengebiete bedecken mehr als 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 Wüstenboden) befinden, reichern den Boden mit Kohlenstoff und Stickstoff an und helfen außerdem, Bodenerosion zu verhindern und Wasser zurückzuhalten. Diese Mikroben leben jedoch in einer rauen Umgebung und sind mit langen Dürreperioden und seltenen Regenfällen konfrontiert.

Bisher war unklar, wie sie unter solchen Bedingungen wichtige Ökosystemfunktionen aufrechterhalten können. Mit modernsten Methoden der mikrobiellen Ökologie hat das Team um Dagmar Woebken Erkenntnisse über das mikrobielle Leben in diesen Böden gewonnen.

Bakterien in Wüstenböden ertragen im Ruhezustand lange Dürreperioden, werden aber als Reaktion auf kurze und sehr seltene Regenperioden reaktiviert. Forscher haben eine Art „All-in-One“-Reaktivierungsstrategie in den Biokrusten der israelischen Negev-Wüste entdeckt. Bakterien nutzen Niederschläge optimal aus: Während dieses engen Aktivitätsfensters wird nahezu die gesamte Vielfalt der Bodenmikroben (sowie einzelne Zellen) aktiv.

„Wenn wir im Labor ein Regenereignis simulieren, beobachten wir, dass in den ersten 15 bis 30 Minuten fast alle taxonomischen Gruppen von einem Ruhemodus in einen aktiven Modus gewechselt sind“, erklärt Dimitri Meier, Co-Erstautor der Studie. „Das ist eine bemerkenswerte Eigenschaft von Wüstenbodenbakterien, denn in anderen Bodentypen brauchen viele Bakteriengruppen viel länger, um sich zu reaktivieren.“ Nach der Reaktivierung würden die Bakterien schnell beginnen, Energie zu erzeugen und ihr Genom zu reparieren.

In der Studie simulierten die Forscher Regenereignisse mit stabil isotopenmarkiertem Wasser, das schweren Wasserstoff enthielt. Mit NanoSIMS untersuchten sie einzelne Zellen, um zu sehen, welche von ihnen schwere Wasserstoffatome eingebaut hatten.

„Mit diesem Ansatz können wir den Anteil der Biokrustenzellen aufdecken, die sich während eines Regenereignisses reaktivieren. Wir können auch ableiten, ob sie während kurzer Regenereignisse wachsen können, die in trockenen Wüsten oft nicht nur ein bis zwei Tage dauern“, erklärt Stefanie Imminger, Ph.D. Kandidat und Co-Erstautor der Studie.

„Wir haben herausgefunden, dass sich fast alle Zellen in der Biokruste reaktivieren, aber während dieser kurzen Regenfälle wäre nur ein kleiner Teil der Zellen in der Lage, sich zu verdoppeln.“ Ein großer Teil der Zellen in der Biokruste kann daher 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 geeignet, kurzfristigen Veränderungen des Bodenwassergehalts zu widerstehen, eine sehr stressige Situation für die Zellen. Dadurch können sie plötzlich überleben.“ Anstieg des Wassergehalts bei Regen und damit einhergehende Austrocknung.

„Darüber hinaus ist die vielfältige Mikrobengemeinschaft in der Lage, sich sofort zu reaktivieren, was sehr vorteilhaft ist, wenn sie innerhalb weniger Stunden oder Tage in einen Ruhezustand zurückkehren muss“, erklärt Dagmar Woebken, leitende Forscherin der Studie.

Die Ergebnisse dieser Studie gelten nicht nur für Wüstengebiete, sondern auch für andere Regionen. Die Fähigkeit, 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 Erforschung von Wüstenböden können helfen zu verstehen, welche Eigenschaften es Bodenmikroorganismen ermöglichen, diese Herausforderungen zu überleben.