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Mikroben-Refugien auf dem Pflanzenblatt

Mikrotropfen
Mikrotropfen um rot und grün angefärbte Bakterienzellen. (Bild: Grinberg et al.)

Für uns Menschen sind unsere bakteriellen Mitbewohner lebenswichtig – ähnlich ist es bei den Pflanzen. Auch sie sind von Millionen nützlicher Bakterien besiedelt. Wie diese Mikroben es jedoch schaffen, tagsüber selbst auf vermeintlich ungeschützten, trockenen Blattflächen zu überleben, war bisher unklar. Jetzt haben Forscher herausgefunden, wo ihr Überlebensgeheimnis liegt: Ein physikalischer Effekt sorgt dafür, dass diese Bakterien winzige wässrige Schutzhüllen bekommen, die sie bis zur nächsten Nacht schützen.

Auf der Oberfläche eines Pflanzenblatts leben im Schnitt rund zehn Millionen Bakterien – eine wahre Megacity der Mikroben. Und auch alle anderen Pflanzenteile beherbergen unzählige Mikroben. Dieses Mikrobiom spielt wie bei uns Menschen auch eine wichtige Rolle für die Funktion und Gesundheit der Wirtspflanze. Gleichzeitig sind diese Pflanzenmikroben ein wichtiger Akteur in den globalen biogeochemischen Stoffkreisläufen.

Blattfläche im Labor nachgebaut

Eine Frage war jedoch bislang ungeklärt: „Wie Mikroben es schaffen, den Tag auf den Blättern zu überstehen ohne auszutrocknen, ist kaum verstanden“, erklären Maor Grinberg und seine Kollegen von der Hebräischen Universität Jerusalem. Denn gerade in südlichen Gefilden ist die Blattoberfläche tagsüber eigentlich kein sehr günstiger Ort für Bakterien. Sie ist trocken, der Sonne ausgesetzt und insgesamt relativ exponiert. Allerdings gab es schon erste Hinweise darauf, dass die Blätter womöglich doch nicht so trocken sind wie es auf den ersten Blick scheint. „Es gibt Belege dafür, dass sie häufig von dünnen Filmen oder mikrometerkleinen Tröpfchen bedeckt sind, die für das bloße Auge unsichtbar sind“, erklärt Grinberg.

Doch reichen diese winzigen Flüssigkeits-Reservoire, um die Bakterien auf der Blattoberfläche selbst bei Hitze und Sonnenschein gegen das Austrocknen zu schützen? Um das zu ergründen, haben Grinberg und seine Kollegen die Blattoberfläche auf kleinen Glasplättchen im Labor nachgebildet. Auf diese gaben sie 13 verschiedene Bakterienarten, die häufig auf Blattflächen oder anderen Pflanzenteilen anzutreffen sind und setzten das Ensemble dann in Klimakammern unterschiedlichen Luftfeuchten aus.

Schutz durch hygroskopischen Effekt

Die Versuche enthüllten: Überall dort, wo keine Bakterien auf der nachgebildeten Blattoberfläche siedelten, trocknete diese nach spätestens 14 Stunden komplett aus. Anders war dies dagegen in den Bereichen, in denen es einzelne Zellen oder ganze Ansammlungen von Bakterien gab, wie die Forscher berichten. Die einzelnen Zellen blieben von winzigen Wassertröpfchen umgeben, während sich um die Mikrobengruppen sogar eine mehrere Dutzend Mikrometer große Tropfenhülle hielt. Das Entscheidende dabei: „Wir haben festgestellt, dass Bakterienzellen in diesen Tröpfchen mehr als 24 Stunden lang überleben können“, berichten Grinberg und seine Kollegen. Je größer die Mikrotropfen dabei waren, desto mehr Mikroben überdauerten.

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Wie aber kommen diese schützenden Tröpfchen zustande? Fördern die Bakterienzellen aktiv die Bildung dieser wässrigen Mikrofilme oder sind diese die Folge einer rein physikalischen Reaktion? Um das herauszufinden, wiederholten die Forscher ihren Versuch mit einer Variante: In einigen Ansätzen ersetzten sie die lebenden Bakterienzellen durch gleichgroße Kügelchen aus einem fluoreszierenden Material. „Interessanterweise stellten wir fest, dass die Mikrotropfen sich auch um die Kügelchen bildeten“, berichten die Wissenschaftler. Demnach sorgt ein physikalischer Effekt dafür, dass sich selbst bei starker Verdunstung Restwasser um auf der Blattoberfläche liegende Bakterien sammelt. Diese können ihre Überlebensdauer erhöhen, wenn sie sich zu Aggregationen zusammenfinden, weil dann der schützende Tropfen größer ausfällt.

Damit ist klar, dass und wie das Mikrobiom der Pflanzen selbst auf der vermeintlich trockenen Blattoberfläche überleben kann – die Mikroben benötigen dafür die winzigen wässrigen Refugien. „Das Wissen darüber, wie diese mikroskopischen Wasserfilme das Pflanzenmikrobiom schützen, ist wichtig – und auch, wie sie möglicherweise durch landwirtschaftliche Praktiken oder Aerosolemissionen beeinträchtigt werden“, betont Seniorautor Nadav Kashtan.

Quelle: The Hebrew University of Jerusalem; Fachartikel: eLife, doi: 10.7554/eLife.48508

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