Mit Seetang kann man „ohne Reis kochen“, was ist also das „Geheimnis der Zubereitung einer Mahlzeit“?

Wenn es um die Absorption von Kohlendioxid geht, denken viele Menschen an Wälder. Tatsächlich wird der größte Teil des Kohlendioxids auf der Erde vom Ozean absorbiert.

Der Ozean bedeckt mehr als 80 % der Erdoberfläche und speichert etwa 90 % des weltweiten Kohlendioxids. Damit ist er der größte aktive Kohlenstoffspeicher der Erde. Die Meeresvegetation absorbiert und fixiert Kohlendioxid durch Photosynthese, wandelt es in stabile organische Substanz um und speichert es, wodurch ein einzigartiger mariner Kohlenstoffpool namens „Blue Carbon“ entsteht. Zu diesen zählen die üppigen Seegraswiesen, die in den flachen Meeren der gemäßigten bis tropischen Regionen weit verbreitet sind und eine der Hauptkräfte für die Kohlenstofffixierung im Ozean darstellen.

Dieses einzigartige Ökosystem gibt Wissenschaftlern jedoch schon lange Rätsel auf: Woher kommen die Nährstoffe für die Seegraswiesen?

Um eine gute Ernte zu erzielen, benötigen landwirtschaftliche Betriebe zusätzlichen Dünger und auch Seegraswiesen benötigen zusätzliche Nährstoffe. Die meisten Algen wachsen jedoch in flachen Meeresumgebungen, in denen es an Nährstoffen mangelt, insbesondere an Stickstoff, dem anorganischen Nährstoff, der für das Pflanzenwachstum am wichtigsten ist.

In solch einem unfruchtbaren Land können Algen auch ohne Reis gedeihen. Es muss ein unbekanntes Erfolgsgeheimnis geben.

Teil 1

Lecks aufspüren, einen Partner für die Stickstoffbeschaffung finden... Es gibt einige Tricks, damit Pflanzen „trockenen Reis essen“

Bevor wir erläutern, wie Seetang in flachen Meeresumgebungen „Stickstoff“-Nährstoffe erhält, wollen wir uns zunächst ansehen, wie die meisten grünen Pflanzen in der Natur Stickstoff erhalten.

Obwohl der Stickstoffgehalt im Boden hoch ist, handelt es sich dabei größtenteils um inaktiven gasförmigen Stickstoff, den Pflanzen nicht verwerten können. Gasförmiger Stickstoff muss in mehrere spezifische stickstoffhaltige Substanzen umgewandelt werden, bevor Pflanzen ihn „fressen“ können. Dieser Vorgang der „Fixierung“ von gasförmigem Stickstoff wird als „Stickstofffixierung“ bezeichnet. Unter ihnen können einige prokaryotische Mikroorganismen (wie Bakterien) eine „biologische Stickstofffixierung“ durchführen. Diese Mikroorganismen, die Stickstoff fixieren können, werden zusammenfassend als stickstofffixierende Bakterien bezeichnet. Die biologische Stickstofffixierung ist unter natürlichen Bedingungen die wichtigste Methode zur Speicherung von Stickstoff in der Biosphäre. Angesichts dieser wertvollen Ressource nutzen Pflanzen sie auf vielfältige Weise:

1. Heimliche Aufnahme von Nährstoffen von „freien Stickstoff fixierenden Bakterien“

Unter den stickstofffixierenden Bakterien gibt es einige freilebende Bakterien, die eigenständig sein können: Sie fixieren Stickstoff selbst, finden selbst organische Stoffe, die sie fressen können, und „leben wie ein Team“.

Frühere Studien haben ergeben, dass sich im Bodenschlamm von Seegraswiesen viele solcher stickstoffbindenden Mikroorganismen befinden. Daher geht man davon aus, dass Seegras hauptsächlich „Reste“ dieser stickstoffbindenden Bakterien aus der Umgebung „aufnimmt“ und absorbiert. Allerdings scheinen solche verstreuten Stickstoffquellen nicht in der Lage zu sein, die üppigen Seegraswiesen zu ernähren, und die Frage ist noch nicht vollständig beantwortet.

Mit Seetang kann man "ohne Reis kochen", das Geheimnis des Trockenreis wird gelüftet

Bildquelle: Referenz [5]

2. Symbiotisches Stickstofffixierungsmodell mit stickstofffixierenden Bakterien

Selbsttätige Stickstoff fixierende Bakterien sind nicht sehr effizient und die Menge des fixierten Stickstoffs ist zudem gering, so dass es für Pflanzen schwierig ist, ihren Bedarf ausschließlich auf diese Bakterien zu decken. Infolgedessen haben einige Landpflanzen eine weitere enge Kooperationsbeziehung mit einigen Pilzen entwickelt: Die Wurzeln der Pflanzen haben spezielle Strukturen hervorgebracht, die es Bakterien ermöglichen, in ihren Körpern wie in einem „Haus“ zu „leben“. Die Pflanzen liefern den Bakterien Nahrung und die Bakterien fixieren Stickstoff für die Pflanzen.

Das bekannteste Modell der symbiotischen Stickstofffixierung besteht zwischen Hülsenfrüchten und Rhizobien. Bei der Wurzelknöllchensymbiose kommen Wurzelzellen in engen Kontakt und nehmen Knöllchen-Stickstofffixierungsbakterien auf, um runde, knöllchenförmige, effiziente Stickstofffixierungsfabriken zu bilden.

Knötchen an Sojabohnenwurzeln:

Jeder Knöllchen enthält viele Rhizobien und bildet so ein effizientes terrestrisches Stickstofffixierungssystem.

(Bildquelle: Referenz [8])

3. Lockere Zusammenarbeit zwischen Pflanzen und Endophyten

Hülsenfrüchte entwickeln Knöllchen, um mit Rhizobien zu kooperieren, eine schwierige Fähigkeit, über die die meisten Pflanzen nicht verfügen. Manche Pflanzen wählen daher einen einfacheren Weg, um stickstofffixierende Bakterien unterzubringen: Sie „öffnen“ den Zugang der Bakterien zu den Wurzeln und ermöglichen ihnen, in den Interzellularräumen oder Zellwänden innerhalb der Wurzeln zu leben. Allerdings verändern Pflanzen hierfür nicht gezielt ihre Wurzelmorphologie oder bilden spezielle Strukturen aus.

Diese in Pflanzen lebenden Mikroorganismen werden zusammenfassend als Endophyten bezeichnet. Einige Pflanzenarten (wie Zuckerrohr, Weizen[2] und Agaven[3]) können Endophyten mit stickstofffixierenden Eigenschaften rekrutieren. Dadurch wird nicht nur der Stickstoffbedarf gedeckt, sondern auch die Notwendigkeit, spezielle „Häuser“ für die Bakterien vorzubereiten, entfällt. Dadurch bleibt eine lose Assoziationsbeziehung bestehen, die zwar einfach, aber nicht simpel ist.

Pflanzenendophyten. Dieses Bild zeigt die intrazellulären symbiotischen Bakterien, die durch Färbung in den Wurzeln der blauen Agave (Agave tequilana) beobachtet wurden. Die Bakterien haben eine stickstofffixierende Aktivität.

(Bildquelle: Referenz [3])

Landpflanzen und Mikroorganismen haben eine lange Geschichte der Zusammenarbeit. Als sich die ersten Pflanzen von den Algen im Meer zu den Landpflanzen entwickelten, konnten sie ohne die Hilfe von Mikroorganismen nicht auskommen. Danach entschieden sich mehrere kleine Familien von Landpflanzen im Laufe ihrer Evolutionsgeschichte für die Rückkehr ins Meer und passten sich nach und nach der Meeresumwelt an. Diese Art grasähnlicher Blütenpflanzen, die im Meer leben können, werden zusammenfassend als „Seetang“ bezeichnet. Die verschiedenen Algen, die an flachen Stränden wachsen, sehen aus wie Weiden an Land, deshalb werden sie „Algenbetten“ genannt.

Da Landpflanzen eine enge symbiotische Kooperationsbeziehung mit stickstofffixierenden Bakterien eingehen können, stellt sich die Frage, ob Meeresalgen, deren Vorfahren einst Landpflanzen waren, auch über ähnliche „soziale Fähigkeiten“ verfügen?

Teil 2

Seetang: „Wurzeln öffnen sich weit“, um stickstofffixierende Bakterien willkommen zu heißen

Durch die Untersuchung von Posidonia oceanica, einer im Mittelmeerraum verbreiteten Pflanze, haben Wissenschaftler Hinweise auf das Geheimnis der Stickstoffdüngerquelle in Seegraswiesen gefunden: Seegräser verfügen ebenfalls über ein symbiotisches Stickstofffixierungssystem, das dem von Landpflanzen ähnelt[4].

Ozeanisches Seegras ist im Mittelmeerraum weit verbreitet und stellt eine lokale Wahrzeichenvegetation dar. Da die Effizienz der Poseidongraswiesen bei der jährlichen Kohlenstoffbindung höher ist als die des Amazonas-Regenwalds derselben Fläche, hat sie aufgrund ihres hohen ökologischen und kulturellen Wertes die UNESCO dazu veranlasst, sie zum Weltkulturerbe zu erklären[6].

Seetang-Grasfeld

(Bildquelle: Referenz [6])

Das Team von Professor Marcel Kuypers vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Deutschland verfolgte die Stickstoffverteilung in der Pflanze und stellte fest, dass die Wurzeln der Pflanze gasförmigen Stickstoff aufnehmen können und dass der fixierte Stickstoff in den oberirdischen Teil übertragen wird, ein Muster, das während der sommerlichen Wachstumsperiode besonders deutlich zu erkennen ist. Dies zeigt, dass sich in den Wurzeln des Poseidongrases tatsächlich stickstofffixierende Bakterien befinden! Es ist eine beispiellose Entdeckung, dass das symbiotische Stickstofffixierungssystem der Landpflanzen auch in der Meeresumwelt existiert, die völlig andere Umwelteigenschaften aufweist.

Abbildung 1: Die Stickstofffixierung durch Wurzelmikroorganismen nimmt im Juli und August, entsprechend der Hauptwachstumszeit der Pflanzen, deutlich zu. Abbildung 2: Die in den Blättern der Pflanze festgestellten Änderungen im Stickstofftransfer entsprechen der Stickstofffixierung in den Wurzeln. Bei hohem Stickstofffixierungsniveau (Juli) findet ein stärkerer Transfer statt.

(Bildquelle: adaptiert aus Referenz [4])

Anschließend identifizierten Wissenschaftler eine neue Bakterienart in den Wurzeln der Meeresalge: Candidatus Celerinatantimonas neptuna (Ca. C. neptuna) [7]. Dieses Bakterium korrelierte signifikant mit dem Gesamttrend der Stickstofffixierungsaktivität der Pflanze und verfügte über einen vollständigen Satz von Stickstofffixierungsgengruppen, die vollständige Stickstofffixierungsfunktionen ausführen konnten. Darüber hinaus folgt dieser „kooperative Handel“ zwischen Bakterien und Meeresalgen auch vollständig den Regeln des Frachtaustauschs der terrestrischen Stickstofffixierungssymbiose: Bakterien übergeben in der einen Hand Stickstoff und Pflanzen in der anderen Hand Zucker. Das Kooperationsmodell der beiden Systeme ist genau gleich.

Konzeptdiagramm der Interaktion zwischen endosymbiotischen stickstofffixierenden Bakterien und Seegras

Die linke Seite des Bildes zeigt einen Querschnitt der Wurzel, in dem es sich bei den rosafarbenen Bakterien um stickstofffixierende Bakterien handelt. Die Bakterien besiedeln vor allem den kortikalen Teil der Pflanzenwurzeln. Die roten Pfeile zeigen an, dass die Bakterien Stickstoff absorbieren und dann Ammoniumsalze an die Pflanzen abgeben. während die schwarzen Pfeile anzeigen, dass die Pflanzen den Bakterien Zucker und den benötigten Sauerstoff liefern.

(Bildquelle: adaptiert aus Referenz [4])

Unter einem Fluoreszenzmikroskop können wir feststellen, wo die Bakterien leben: Ca. C. neptuna ist in den Wurzeln des Poseidongrases verbreitet und der Verbreitungsort hängt eng mit den Veränderungen der Stickstoffkonzentration in den Wurzeln zusammen. Während der schnellen Wachstumsphase im Sommer, Ca. C. neptuna ist der dominierende Mikroorganismus in den Wurzeln von Meeresalgen; Dieses Bakterium kommt in den Wurzeln anderer Meeresalgen, die keine stickstoffbindende Aktivität zeigen, fast nicht vor.

Die linke Abbildung (d) zeigt die Mikroorganismen in den Wurzeln unter einem Fluoreszenzmikroskop. In den Zwischenräumen der Zellwände von Pflanzen (grün) sammeln sich zahlreiche stickstofffixierende Bakterien (rosa/blau).

Abbildung e rechts ist ein Tracer der Stickstoffisotopenkonzentration. Je gelber die Farbe, desto mehr Stickstoff ist vorhanden, was darauf hinweist, dass der Stickstofffixierungsprozess aktiver ist.

Beachten Sie den konsistenten Zusammenhang zwischen Bakterienclusterung und Stickstoffkonzentration, der durch die weißen Pfeile in beiden Diagrammen dargestellt wird.

(Bildquelle: adaptiert aus Referenz [4])

Genetische Analyse von Ca. C. neptuna zeigte außerdem, dass es vollständig auf endosymbiotisches Leben vorbereitet ist. Sie können sich beispielsweise aktiv fortbewegen, um den Schritten der Pflanzen zu folgen, Signale der Pflanzen erkennen, mit dem Immunabwehrsystem der Pflanze „Frieden schließen“ und Pektin in Zellwänden abbauen, um einen Schutzraum zu schaffen. Zahlreiche Informationen deuten darauf hin, dass dieses Bakterium eine sehr ähnliche Lebensweise wie stickstofffixierende Bakterien an Land hat und dass seine endophytischen Eigenschaften erstmals bei marinen Mikroorganismen entdeckt wurden.

Teil 3

Was können wir aus der symbiotischen Stickstofffixierung zwischen Bakterien und Seegras lernen?

Die Stickstofffixierungszusammenarbeit zwischen Poseidon und Ca. C. neptuna ist wie eine Nachbildung der kooperativen Beziehung an Land, und die Evolutionsgeschichte weist immer wieder Echos auf: vielleicht vor etwa 100 Millionen Jahren, als der Vorfahre von Poseidon in den Ozean zurückkehrte und „einsam und hilflos“ war, getrennt von seinen terrestrischen mikrobiellen Partnern, dem Vorfahren von Ca. C. neptuna im Meer reichte ihm seine helfende Hand. Diese völlig andere Artenkombination entwickelte unter ähnlichen Schwierigkeiten eine ähnliche Art der Zusammenarbeit. Dieses Paar neuer Freunde erschloss neues Territorium auf dem kargen Meeresboden und schrieb ein neues Kapitel.

Die Entdeckung dieses neuen endosymbiotischen Stickstofffixierungssystems aus Meeresbakterien und Seegras bringt auch weitere Chancen und Herausforderungen mit sich. Wie erkennt und akzeptiert das Seegras beispielsweise dieses Bakterium? Haben andere Meeresalgen (wie Zostera marina, die in den Gewässern meines Landes weiter verbreitet ist) ähnliche symbiotische Partner? Welche Rolle spielen endogene stickstofffixierende Bakterien bei der Entwicklung von Seegras im Meer? Wie vollzogen die Vorfahren des Seegrases den Übergang von terrestrischen zu marinen Symbionten? Die Antworten auf diese Fragen werden die Wissenschaftler in Zukunft Stück für Stück enthüllen.

Neben der eingehenden akademischen Forschung ist die Entdeckung dieser symbiotischen Bakterien auch für den Schutz des bedrohten Ökosystems der Seegraswiesen von großer Bedeutung. Gleichzeitig können wir möglicherweise auf der Grundlage dieser Bakterienart mikrobielle „Wirkstoffe“ entwickeln, um den „blauen Kohlenstoff“-Bestand der Seegraswiesen zu festigen und so einen neuen, kostengünstigen Weg zur Eindämmung des globalen Wandels zu eröffnen.

Quellen:

[1] Blauer Kohlenstoff: Eine Ozeanlösung für den Klimawandel, China Climate Change Network. http://www.ccchina.org.cn/Detail.aspx?newsId=70773&TId=59

[2] Boddey, RM, Dobereiner, J. Stickstofffixierung bei Gräsern und Getreide: Jüngste Fortschritte und Perspektiven für die Zukunft. Düngemittelforschung 42, 241–250 (1995). https://doi.org/10.1007/BF00750518

[3] Beltran-Garcia, M., White, Jr., J., Prado, F. et al. Stickstoffaufnahme in Agave tequilana durch Abbau endophytischer Bakterien. Sci Rep 4, 6938 (2014). https://doi.org/10.1038/srep06938

[4] Mohr, W., Lehnen, N., Ahmerkamp, ​​​​S. et al. Stickstofffixierende Symbiose terrestrischer Art zwischen Seegras und einem Meeresbakterium. Natur (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04063-4

[5] Douglas G. Capone. Ein Seegras beherbergt einen stickstofffixierenden Bakterienpartner. doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-02956-y

[6] Posidonia oceanica, Wikipedia,

https://en.wikipedia.org/wiki/Posidonia_oceanica

[7] Anmerkung: Celerinatantimonas ist der Gattungsname und neptuna ist das Artepitheton, der Name des römischen Meeresgottes. Der Name kommt daher, dass die Wirtspflanze Neptungras auf Englisch Neptune grass heißt. Candidatus ist ein „Qualifikator“ in der Nomenklatur der Prokaryoten und wird zur Bezeichnung von Arten verwendet, die durch Sequenzierung identifiziert, aber nicht durch Reinkultur bestätigt wurden.

[8] Bildquelle: Iantcheva. A., Naydenova, G., 2020. Biologische Stickstofffixierung in Hülsenfrüchten. Hülsenfrucht-Hub. www.legumehub.eu, https://www.legumehub.eu/is_article/biological-nitrogen-fixation-in-legumes/

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