Können Bodenmikroben in einem sich ändernden Klima überleben?

Jun 30, 2023

Organismen auf der ganzen Welt sind durch den Klimawandel, die Zerstörung von Lebensräumen und viele andere vom Menschen verursachte Veränderungen der Umwelt einem beispiellosen Stress ausgesetzt. Um die Auswirkungen dieses zunehmenden Stresses auf Organismen und die Umweltdienstleistungen, von denen wir abhängig sind, vorherzusagen und abzumildern, muss man verstehen, warum einige Arten in einer Vielzahl von Umgebungen existieren können, während andere nur in wenigen Lebensräumen vorkommen.

In der wissenschaftlichen Welt der Ökologie versuchen Forscher oft, Organismen auf unserem Planeten in zwei Kategorien einzuteilen: Spezialisten und Generalisten. Generalisten können in einer Vielzahl von Umweltbedingungen und Lebensräumen überleben, während Spezialisten eher auf bestimmte Überlebensbedingungen beschränkt sind. Der Pandabär beispielsweise ernährt sich nur von Bambus in einem bestimmten Lebensraum. Nicht nur ihr Lebensraum, sondern auch ihre Ernährung ist eingeschränkt, und wenn die Bambuspflanze aussterben würde, könnten auch Pandabären aussterben.

Aber was ist mit der mikrobiellen Welt unsichtbarer Organismen, die überall auf der Erde zu finden sind, vom menschlichen Darm bis zum Boden unter unseren Füßen? In welche Kategorie fallen sie?

Um die Antwort zu finden, untersuchte eine Gruppe von Doktoranden und Postdoktoranden im Biologielabor der außerordentlichen Professorin Michelle Afkhami am University of Miami College of Arts and Sciences die DNA-Sequenzen von Prokaryoten, einer Gruppe von Mikroben, zu der alle Bakterien und Archaeen gehören.Die Ergebnisse liegen in einer aktuellen Studie vormit dem Titel „Multidimensionale Spezialisierung und Generalisierung sind in Bodenprokaryoten allgegenwärtig“, jetzt verfügbar in der Zeitschrift Nature Ecology & Evolution.

„Die Idee hinter dem Projekt bestand darin herauszufinden, ob diese Mikroben innerhalb eines engen oder breiten Spektrums von Bedingungen entlang vieler verschiedener Umweltdimensionen existieren können“, sagte Damian Hernandez, ein ehemaliger Doktorand in Afkhamis Labor, der sich jetzt als Postdoktorand auf ein Biologiestudium vorbereitet Stipendium mit der National Science Foundation. „Konkret wollten wir wissen, ob Mikroben typischerweise multidimensionale Spezialisten oder multidimensionale Generalisten sind oder unterschiedliche Strategien in unterschiedlichen Umweltdimensionen anwenden – und welche Auswirkungen das auf ihre Rollen innerhalb von Gemeinschaften haben könnte. Die Umweltdimensionen, die wir verwendeten, um zu bestimmen, ob es sich bei den Mikroben um Generalisten oder Spezialisten handelt, basierten auf mehreren Umweltbedingungen im Boden, in dem sie leben, zum Beispiel Laubstreu, Temperatur, Wasser und Nährstoffe“, fügte er hinzu.

In einer zwei Jahre dauernden gemeinsamen Anstrengung analysierte das Studententeam mehr als 200 Bodenproben, die das National Ecological Observatory Network an Standorten in den Vereinigten Staaten gesammelt hatte. Unter den über 1.200 untersuchten Prokaryoten fanden Hernandez und das Team etwas ziemlich Überraschendes. Sie fanden heraus, dass die Mehrheit (90 Prozent) der Mikroben entweder multidimensionale Generalisten oder multidimensionale Spezialisten waren.

Wenn eine Mikrobe auf einer Umweltachse ein Generalist war, war sie im Wesentlichen auch auf allen anderen Achsen ein Generalist. und wenn es sich um einen Spezialisten auf einer Umweltachse handelte, spezialisierte es sich auf alle Achsen. Diese Entdeckung liefert nicht nur wichtige Einblicke in die Struktur mikrobieller Gemeinschaften, sondern liefert auch einige der ersten Beweise für mehrdimensionale Spezialisierung und Generalisierung in jeder Art von Organismus.

„Wir haben herausgefunden, dass es für Mikroben sehr eingeschränkt möglich ist, wo sie leben können“, sagte Hernandez, der Erstautor der Studie. „Die generalistischen Mikroben sind sehr flexibel und können einem größeren Spektrum an Bedingungen standhalten. Die spezialisierten Mikroben reagieren jedoch empfindlich auf viele verschiedene Umweltbedingungen, da sie auf mehrere Umweltachsen beschränkt sind und daher jegliche Veränderungen in der Umwelt ihr Überleben beeinträchtigen können.

„Wenn ein Ökosystem durch Mikroben strukturiert ist, die Spezialisten sind, ist es hypothetisch wahrscheinlicher, dass diese Ökosysteme empfindlicher auf Umweltveränderungen reagieren“, sagte er.

Afkhami bestätigt, dass die Ergebnisse ein interessantes Argument dafür darstellen, wie Mikroben in einem sich verändernden Klima überleben können.

„Wie wir aus der Studie gelernt haben, können Mikroben, die Generalisten sind, in einem breiten Spektrum von Lebensräumen leben, und das kann bedeuten, dass diese Mikroben möglicherweise widerstandsfähig gegenüber dem Klimawandel oder der Fragmentierung des Lebensraums sind, weil sie wahrscheinlich veränderte Umweltbedingungen tolerieren.“ Sie sind auch innerhalb mikrobieller Gemeinschaften sehr dominant“, sagte sie.

Im Gegensatz dazu stellte das Team fest, dass spezialisierte Mikroben sehr anfällig für Umweltveränderungen sein können. Als Spezialisten kategorisierte Mikroben scheinen aufgrund ihrer hohen Funktionalität innerhalb der mikrobiellen Welt auch wichtige „Gemeinschaftsorganisatoren“ zu sein. Beispielsweise entdeckte das Forschungsteam, dass es sich eher um spezialisierte Mikroben handelt, die das Pflanzenwachstum fördern, den Boden entgiften, komplexe Kohlenstoffe im Boden verdauen und dem Boden Nährstoffe hinzufügen können.

„Das ist sehr besorgniserregend, denn was wir in der Studie auch gelernt haben, ist, dass mikrobielle Spezialisten eng mit dem mikrobiellen Netzwerk verbunden sind und als Schlüsselarten für die Erhaltung und Förderung der Vielfalt und Funktion des Mikrobioms angesehen werden können“, sagte Afkhami. „In dieser Studie können wir beginnen, einige ihrer biologischen Funktionen, ihre Rolle in der mikrobiellen Gemeinschaft und wie sie auf globale Veränderungen auf dem Planeten reagieren werden – im weiteren Sinne der Mikrobiom-Gemeinschaft – zu verstehen.“

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der University of Miami veröffentlicht