Weltweite erste Untersuchung zur Bodengenomik

Konkurrenz im Boden

Zwischen Pilzen und Bakterien in der Erde herrscht ein permanenter Wettkampf. Das zeigt die erste weltweite Untersuchung zur Bodengenomik.

Globaler Kampf zwischen Bakterien und Pilzen im Boden. © Hildebrand-Krolik in Kooperation mit Campbell Medical Illustration - EMBL

Der Boden steckt voller Leben, was entscheidend für den globalen Nährstoffkreislauf und die Kohlenstoffanreicherung ist. Um die Prozesse innerhalb des Bodens besser zu verstehen, führte ein internationales Forschungsteam unter Leitung des EMBL und der Universität Tartu (Estland) die erste weltweite Untersuchung von Bakterien und Pilzen durch. Die gewonnenen Daten zeigten, dass Bakterien und Pilze in ständigem Wettbewerb um Nährstoffe stehen. Unter anderem werden mikrobiell produzierte Antibiotika benutzt, um sich einen Vorteil gegenüber den konkurrierenden Stämmen zu verschaffen. Diese Untersuchung kann dazu beitragen, natürliche vorkommende Mikroben besser in der Landwirtschaft zu nutzen und die Auswirkungen des Klimawandels auf die Erdmikrosphäre genauer vorherzusagen. 

Bei der Erforschung des Bodenmikrobioms haben die Wissenschaftler fünf Jahre lang 58 000 Bodenproben an 1 450 Standorten auf der ganzen Welt (40 Teilproben pro Standort) genommen; die Standorte wurden danach ausgewählt, ob sie von menschlichen Aktivitäten wie der Landwirtschaft unbeeinflusst waren. Mohamad Bahram (Universität Tartu) und Falk Hildebrand (EMBL) haben dieses gigantische Projekt zusammen mit einem großen Team von Kooperationspartnern ins Leben gerufen. Sie haben Proben gesammelt und den 14,2 Terabyte großen Datensatz bioinformatisch ausgewertet, und sich dabei auf 189 der 1 450 Standorte auf eine detaillierte Analyse konzentriert. Diese umfasst die wichtigsten Biome der auf allen Kontinenten, von Tropenwäldern bis zur Tundra.

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Globaler Kampf der Mikroben um Ressourcen
Während die Studie viele Millionen Gene der Mikroben analysierte, überlappte lediglich ein halbes Prozent dieser mit Genen in den internationalen Datenbanken. „Die schiere Menge bisher unbekannter Gene ist überwältigend, aber diejenigen, die wir interpretieren können, weisen eindeutig auf einen globalen Krieg zwischen Bodenbakterien und -pilzen hin", sagt Peer Bork, EMBL-Gruppenleiter und Korrespondenzautor des Artikels.

Wie die Forscher entdeckten, kommen weniger Bakterien im Boden vor, wenn mehr Pilze vorhanden sind. Das Team stellte einen starken Zusammenhang zwischen der Anzahl von bakteriellen Antibiotikaresistenzgenen in Bakterien und der Menge von Pilzen fest. Insbesondere trifft dies in der Gegenwart von Pilzen zu, die zur Bildung von Antibiotika in der Lage sind, wie etwa Penicillium. „Dieses Muster“, so Falk Hildebrand, „könnte dadurch erklärt werden, dass Pilze im Kampf um mehr Ressourcen Antibiotika produzieren, wodurch nur Bakterien mit den entsprechenden Antibiotikaresistenzgenen überleben und so den Pilzen einen Vorteil verschafft."

Der Antagonismus zwischen Pilzen und Bakterien beeinflusst die Vielfalt bakterieller Gemeinschaften und bestimmt deren genetisches Repertoire an Antibiotikaresistenzen. Dieses Verständnis kann zur Vorhersage genutzt werden, wie sich Antibiotikaresistenzgene verbreiten und über welche Wege sie menschliche Krankheitserreger erreichen. Außerdem können sie genutzt werden, um Orte mit einem hohen Anteil an natürlichen Antibiotikaproduzenten vorherzusagen. Das ist wichtig, um neue Antibiotika zu finden.

Regionale Unterschiede
Das Team stellte überdies regionale Unterschiede in der Verteilung von Bakterien und Pilzen fest. Bodenbakterien finden sich überall; die größte genetische Vielfalt erreichen sie jedoch in gemäßigten Klimazonen. Ausschlaggebend für ihre relative Häufigkeit sind Umweltfaktoren wie die Temperatur: Bodenbakterien bevorzugen oft warme und feuchte Standorte. Pilze hingegen kommen häufiger in kühlen und trockenen Klimazonen wie der Tundra vor. Außerdem sind sie oft stärker geografisch beschränkt, das heißt es bestehen häufiger Populationsunterschiede zwischen den Kontinenten. Daraus folgt, dass die relativen Beiträge von Bakterien und Pilzen zum Nährstoffkreislauf weltweit unterschiedlich sind, sodass der globale Klimawandel sich unterschiedlich auf ihre Zusammensetzung und Funktion auswirken könnte.

Auswirkungen menschlicher Aktivität
Vergleicht man die Daten der unberührten Bodenstandorte mit den Daten der vom Menschen beeinflussten Orte wie z.B. Ackerland oder Gartenrasen, fällt auf, dass völlig unterschiedliche Verhältnisse zwischen Bakterien, Pilzen und Antibiotikaresistenzen bestehen. Diese Verschiebung des natürlichen Gleichgewichts – das sich vermutlich über weite Teile der Erdgeschichte evolviert hat – zeigt nach Ansicht der Wissenschaftler die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf das Bodenmikrobiom, mit bisher unbekannten Folgen. Ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Pilzen und Bakterien im Boden könnte jedoch dazu beitragen, den Einsatz von Bodendünger in der Landwirtschaft zu reduzieren. Nützlichen Mikroorganismen würde dadurch eine höhere Überlebenschance in ihrer natürlichen Umgebung verschafft.

Förderung
Diese Untersuchung wurde vom Estnischen Forschungsrat (Finanzhilfen PUT171, PUT1317, KIK, RMK, ECOLCHANGE), dem Schwedischen Forschungsrat (Vetenskapsrådet-Stipendium 2017-05019), der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften, der Helge Axson Johnsons Stiftelse, durch COST Action FP1305 Biolink der EU (STSM-Fördermittel) sowie von der Niederländischen Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO Vidi-Finanzhilfe 016.161.318) finanziert. Ferner wurde dieses Projekt vom Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) und durch eine Marie Skłodowska-Curie-Maßnahme (600375) gefördert.

Publikation
Bahram, M., Hildebrand, F., et al. Structure and function of the global topsoil microbiome. Nature, published online 1 August 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0386-6.

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