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Pflanzen-Bakterien-Partnerschaft

Bakterielle Freunde versorgen Seegras

Das sogenannte Neptungras bildet Unterwasserwiesen an einigen Mittelmeer-Küsten. (Bild: Hydra Marine Sciences GmbH)

Gedüngt durch Winzlinge in den Wurzeln: Der Erfolg der ökologisch wichtigen Seegraswiesen basiert offenbar auf einer hochentwickelten Symbiose dieser Wasserpflanzen mit Stickstoff-fixierenden Bakterien, geht aus einer Studie hervor. Das System ähnelt dabei dem Austausch-Konzept, das einigen Landpflanzen Zugang zum Luftstickstoff verschafft. Durch die wachstumsfördernde Symbiose können Seegraswiesen letztlich auch einen Beitrag zur Bindung des Treibhausgases Kohlendioxid leisten, heben die Wissenschaftler hervor.

Grüne Unterwasserlandschaften mit großer Bedeutung: An vielen Küsten der Welt wachsen üppige Seegraswiesen – insgesamt bedecken sie bis zu 600.000 Quadratkilometer, was etwa der Fläche von Frankreich entspricht. Sie bieten vielen Organismen ein Zuhause und vor allem vielen Fischarten eine sichere Kinderstube. Außerdem schützen die Teppiche der Wasserpflanzen die Küsten vor Abtragung und nehmen zudem jedes Jahr Millionen Tonnen Kohlendioxid auf, das für lange Zeit als sogenannter „blauer Kohlenstoff“ in der Biomasse gebunden bleibt. Durch seine weitreichende Bedeutung stand das Seegras bereits im Fokus einiger Studien. Klar ist, dass diese Gewächse wie alle Pflanzen Nährstoffe benötigen. Einer der wichtigsten ist dabei der Stickstoff. Das Element ist zwar über die Lösung des molekularen Stickstoffs aus der Luft auch reichlich im Meerwasser vorhanden, doch in dieser Form können Pflanzen Stickstoff nicht aufnehmen.

Üppig trotz Nährstoffarmut

Bisher glaubte man, dass Seegräser die nutzbaren Stickstoffverbindungen nur aus dem Wasser und dem Sediment beziehen. Doch an den meisten Standorten ist die Versorgung aus „normalen“ Quellen stark begrenzt. Es ist allerdings bereits lange bekannt, dass spezielle Bakterienarten elementaren Stickstoff über bestimmte Stoffwechselprozesse in eine biologisch nutzbare Form bringen können. Einige dieser Mikroben gehen dabei auch eine Symbiose mit Pflanzen ein: Sie leben in deren Wurzeln, wo sie den Luftstickstoff fixieren und ihn in der Form von nutzbareren Verbindungen an ihre Partner abgegeben. Im Gegenzug versorgt die Pflanze die Bakterien mit Kohlenhydraten und anderen Nährstoffen. Besonders hochentwickelt ist diese Symbiose bei den Leguminosen: In Wurzelknöllchen sorgen Bohne und Co sogar durch spezielle Hämoglobin-Substanzen für eine besonders effektive Sauerstoffversorgung ihrer mikrobiellen Partner.

„Im Fall des Seegrases vermutete man allerdings bisher, dass sie Stickstoff nur von frei lebenden Stickstoff-fixierenden Bakterien aufnehmen, die rund um die Wurzeln der Pflanzen im Meeresboden leben“, sagt Wiebke Mohr vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. „Wir zeigen nun jedoch, dass es sich ebenfalls um die im wahrsten Sinn des Wortes innige Beziehung handelt: Diese Bakterien leben in den Wurzeln der Seegräser. Bisher war diese Form der Symbiose nur von Landpflanzen bekannt“, betont die Wissenschaftlerin.

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Für die Studie untersuchten Mohr und ihre Kollegen Seegras der Gattung Posidonia, das im Mittelmeer verbreitet ist. Den Bakterien in den Wurzeln dieser auch Neptungras genannten Wasserpflanzen kamen die Forscher durch Mikroskopietechniken auf die Spur, bei denen einzelne Bakterienarten farblich markiert werden können. So konnten sie zeigen, dass eine bestimmte Mikrobenart sowohl in den Zwischenräumen, als auch in den Pflanzenzellen selbst in teils großer Dichte vorkommt. Die Forscher gaben diesen Mikroben den Namen Celerinatantimonas neptuna – nach ihrem Gastgeber, dem Neptungras.

Der Symbiose auf der Spur

Dass es sich um ein Stickstoff-fixierendes Bakterium handelt, konnte das Team durch genetische und molekularbiologische Verfahren belegen. Demnach sind in den Mikroben Gene aktiv, die auch bei anderen Arten bekanntermaßen an der Bindung und Verarbeitung von elementarem Stickstoff beteiligt sind. Außerdem fanden die Forscher Hinweise auf pflanzliche Anpassungen, durch die die Symbiose gefördert wird. Sie konnten zudem die Aufnahme von fixiertem Stickstoff durch die Pflanzen direkt nachweisen. Dazu versorgten sie Testsysteme mit Stickstoffgas, das einen Überschuss des Isotops 15N enthielt. Dieser Tracer-Stickstoff ließ sich anschließend im Pflanzengewebe nachweisen. Die Ergebnisse deuten somit auf eine Form der Symbiose hin, die den terrestrischen Systemen ähnelt, sagen die Wissenschaftler.

Als die Seegräser vor etwa 100 Millionen Jahren vom Land ins Meer gezogen sind, haben sie sich offenbar einen marinen Symbionten zugelegt, der ihnen eine verbesserte Stickstoffversorgung in diesem Lebensraum ermöglichte. Vor allem im Sommer ist die Bedeutung der Symbiose vermutlich groß, denn im Winter und Frühjahr reichen die im Wasser und Sediment vorhandenen Nährstoffe möglicherweise aus. „Die Symbionten sind dann zwar vereinzelt in den Wurzeln der Pflanzen vorhanden, sind aber wahrscheinlich nicht sehr aktiv“, so Mohr. Im Sommer, wenn das Sonnenlicht und damit das Wachstum zunimmt, wird der Stickstoff hingegen schnell knapp. Dann übernehmen offenbar die Symbionten die Nährstoffversorgung. So ist es möglich, dass die Seegräser in der nährstoffarmen Sommerzeit ihr größtes Wachstum aufweisen, erklären die Forscher.

Sie gehen davon aus, dass es sich nicht nur um eine Besonderheit beim Neptungras handelt: „Unsere Genanalysen deuten darauf hin, dass es auch an tropischen Seegräsern solche Symbiosen gibt“, sagt Mohr. „Als Nächstes wollen wir nun diese neuen Bakterien genauer untersuchen. Wir wollen sie im Labor isolieren, um genauer zu untersuchen, wie die Symbiose funktioniert und entstanden ist. Spannend wird sicher auch die Suche nach vergleichbaren Systemen in anderen Regionen und Lebensräumen sein“, sagt die Wissenschaftlerin.

Quelle: Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Fachartikel: Nature, doi: 10.1038/s41586-021-04063-4

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