Bakterien bauen Bodenschadstoffe ab

Gentransfer auf der Pilzautobahn

Bodenbakterien nutzen die weitverzweigten fädigen Strukturen von Pilzen, um sich auf ihnen fortzubewegen und zu neuen Nahrungsquellen zu gelangen. UFZ-Forscher konnten nun in ihrer aktuellen Studie im Fachmagazin Scientific Reports zeigen, dass diese sogenannten Pilz-Hyphen auch ein Hotspot für Gentransfer zwischen Bakterien sind. So sorgen Pilze für eine hohe bakterielle Vielfalt im Boden - was auch für den Abbau von Schadstoffen von Vorteil sein kann.

Mikroskopische Aufnahme der Verbreitung von Bakterien (Grün) entlang eines Hyphengeflechts (Weiß). Diese Bakterien entstehen durch Gentransfer - über den direkten Kontakt von Bakterien, die in unterschiedlichen Richtungen auf den Hyphen unterwegs sind (Rot und Schwarz). (Foto: Berthold et al. 2016 in Scientific Reports)

Für Bakterien ist der Lebensraum Boden ein ziemlich unwegsames Gelände: Trockene Bereiche und Luftporen stellen für sie unüberwindbare Hindernisse dar. Um sich fortzubewegen, benötigen sie einen Flüssigkeitsfilm, in dem sie schwimmen können. Große Ansprüche stellen sie dabei nicht. Schon die umgebende Schleimschicht von Pilz-Hyphen ist für ihre Fortbewegung bereits ausreichend - und wird genutzt.

Dabei bietet das Pilznetzwerk (Myzel) den Bakterien auch eine hervorragende Infrastruktur: So schlängeln sich durch nur ein Gramm Waldboden mehrere hundert Meter Pilz-Hyphen. „In dem feinen Flüssigkeitsfilm rund um die Hyphen können sich die Bakterien sehr viel schneller, gerichteter und weiter fortbewegen als im Bodenwasser ohne Hyphen", sagt Tom Berthold, Erstautor der Publikation und Doktorand am Department Umweltmikrobiologie des UFZ. „Pilz-Hyphen sind für die Bakterien wie eine Art Autobahn, auf der sie schnell und ohne Umwege zu ihren Nahrungsquellen gelangen."

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Da auf der Pilzautobahn oft reger Verkehr herrscht, kommen die Bakterien auch in engen Kontakt miteinander und tauschen dabei Genmaterial aus. „Im Prinzip ist das so ähnlich wie die Übertragung von Erkältungskeimen in dichtbesetzten öffentlichen Verkehrsmitteln", erklärt Umweltmikrobiologe Dr. Lukas Wick. „Doch anders als bei einem Schnupfen sind die neu erhaltenen Gene für die Bodenbakterien in der Regel ein Gewinn. Mit ihnen können sie sich besser an verschiedene Umweltbedingungen anpassen."

Durchlichtmikroskopische Aufnahme von Bakterien (Pseudomonas putida) entlang einer Hyphe (Pythium ultimum). Bild unten: Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme der durch Gentransfer entstandenen Bakterien (in Grün) entlang der im oberen Bild dargestellten Hyphe. (Foto: Berthold et al. 2016 in Scientific Reports)

Je nachdem welche Gene sie durch den Genaustausch erhalten, können sie sich an neue Umweltbedingungen anpassen oder Nahrungsquellen erschließen, die bislang für sie nicht nutzbar waren. Das können beispielsweise auch die in Erdöl und Benzin vorhandenen Schadstoffe Toluol oder Benzol sein, die für Bakterien mit der passenden genetischen Ausstattung nicht schädlich, sondern im Gegenteil besonders schmackhaft sind. Für den Abbau von Bodenschadstoffen kann die Weitergabe dieser Fähigkeit an weitere Bakteriengruppen also von großem Vorteil sein.

In ihren Untersuchungen haben die UFZ-Forscher weiterhin zeigen können, dass auf der Pilzautobahn ein deutlich höherer Gentransfer zwischen Bakterien stattfindet, als in einem feuchten Milieu ohne Pilz-Hyphen. Mit Computermodellen, die die Häufigkeit des Gentransfers zwischen den Bakterien entlang der Hyphen berechnen, kamen die Wissenschaftler zu demselben Ergebnis. Wick: „Unsere Studie zeigt, dass Pilz-Hyphen den Bodenbakterien nicht nur eine hervorragende Infrastruktur bieten, sondern auch einen möglichen Hotspot für bakteriellen Gentransfer. Dieser bisher unbekannte Aspekt der Pilz-Bakterien-Interaktion ist ein wichtiger Schritt hin zu einem besseren Verständnis der komplexen Wechselwirkungen von Mikroorganismen in Böden."

Pilze spielen im hochkomplexen Lebensraum Boden also eine sehr wichtige Rolle: Bei der Verbreitung von Bakterien, ihrer genetischen Anpassung und Vielfalt und letztlich auch der Evolution von Bodenbakterien. „Noch vor wenigen Jahren war man sich dessen überhaupt nicht bewusst", sagt Wick. „Womöglich hat im Verlauf der Erdgeschichte die bakterielle Vielfalt mit der Entwicklung myzelbildender Pilze stark zugenommen."

Und was den Abbau von Schadstoffen angeht, vermuten die UFZ-Forscher, dass Böden mit hohem Pilzvorkommen wahrscheinlich besser gerüstet sind als Böden mit nur geringem Pilzanteil. Denn über die Pilzautobahn sind schadstoffabbauende Bakterien schneller an Ort und Stelle und via Gentransfer ist womöglich auch schon Verstärkung auf dem Weg.

Publikation:
Berthold T, Centler F, Hübschmann Th, Remer R, Thullner M, Harms H, Wick L. Mycelia as a focal point for horizontal gene transfer among soil Bacteria. Scientific Reports. DOI:10.1038/srep36390, http://dx.doi.org/10.1038/srep36390.

Weitere Informationen:
Dr. Lukas Wick
UFZ-Department Umweltmikrobiologie
E-Mail: lukas.wick@ufz.de

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