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Symbiose im Seegras Das Erfolgsgeheimnis von Unterwasser-Wiesen

Autor / Redakteur: Dr. Fanni Aspetsberger* / Christian Lüttmann

Seegräser bilden saftige Weiden unter Wasser. Wie Landpflanzen brauchen auch sie Stickstoff zum Wachsen. Nun haben Mikrobiologen des Max-Planck-Instituts in Bremen herausgefunden, dass ihnen dafür kleine Helfer in den Wurzeln zur Seite stehen. Die neu entdeckten symbiontischen Bakterien stellen besonders im nährstoffarmen Sommer den begehrten Stickstoff bereit.

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Ein Forschender des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie bei der Probennahme in Seegraswiesen im Mittelmeer. Das Messgerät bestimmt den Sauerstoffgehalt im Meeresboden.
Ein Forschender des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie bei der Probennahme in Seegraswiesen im Mittelmeer. Das Messgerät bestimmt den Sauerstoffgehalt im Meeresboden.
(Bild: Hydra Marine Sciences GmbH)

Bremen – Was wir an Land kennen, gibt es in ähnlicher Form auch unter Wasser: ausgedehnte Grasflächen, deren Halme statt vom Wind von den Wellen hin und her gewogen werden. Solche Seegräser sind weit verbreitet in den flachen Küstenregionen gemäßigter und tropischer Meere. Sie bedecken bis zu 600.000 Quadratkilometer weltweit, was etwa der Fläche von Frankreich entspricht.

Diese Unterwasserwiesen bilden die Grundlage für das gesamte Ökosystem, das zahlreichen Tieren ein Zuhause ist und vielen Fischarten eine sichere Kinderstube bietet. Auch bedrohte Tierarten wie Meeresschildkröten, Seepferdchen und Seekühe sind letztlich von den Seegräsern abhängig. Außerdem schützen die Pflanzen die dahinterliegenden Küsten vor Abtragung durch Sturmfluten und nehmen jedes Jahr Millionen von Tonnen an Kohlendioxid auf, das für lange Zeiten im Ökosystem als so genannter „blauer Kohlenstoff“ gespeichert wird.

So umgehen Seegras den Stickstoffmangel

Der Lebensraum vieler Seegräser ist für einen Großteil des Jahres arm an Nährstoffen wie Stickstoff. Dieser ist zwar in seiner elementaren Form (N2) reichlich im Meer vorhanden, doch so können ihn die Seegräser nicht aufnehmen. Dass die Pflanzen dennoch üppig gedeihen, liegt an kleinen Helfern: bakterielle Symbionten, die N2 innerhalb der Wurzeln fixieren und den Pflanzen in nutzbarer Form zur Verfügung stellen. Diese Symbiose haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie neu entdeckt und in einer Studie beschrieben. Ebenfalls beteiligt waren Kollegen des Hydra Marine Sciences in Bühl und des Schweizer Wasserforschungsinstituts Eawag.

„Bislang vermutete man, dass der so genannte fixierte Stickstoff für die Seegräser von Bakterien stammt, die rund um die Wurzeln der Pflanzen im Meeresboden leben“, sagt MPI-Forscherin Wiebke Mohr. „Wir zeigen nun, dass die Beziehung viel enger ist: Die Bakterien leben in den Wurzeln der Seegräser. Das ist das erste Mal, dass so eine im wahrsten Sinn des Wortes innige Symbiose bei Seegräsern gezeigt wird.“ Bisher kannten Wissenschaftler eine derartige Beziehung nur von Landpflanzen, v. a. landwirtschaftlich genutzten wie den Hülsenfrüchtlern, Weizen oder Zuckerrohr. Auch diese lassen sich den Luftstickstoff von Bakterien aufbereiten, denen sie im Gegenzug Kohlenhydrate und andere Nährstoffe liefern. Einen sehr ähnlichen Austausch von Stoffwechselprodukten gibt es auch zwischen dem Seegras und seinem Symbionten.

Ein uraltes Bündnis

Die Symbiose unter dem Mikroskop: Links ein Querschnitt durch eine Seegraswurzel, rechts eine Fluoreszenzaufnahme der Bakterien (in pink) im Inneren der Seegraswurzel.
Die Symbiose unter dem Mikroskop: Links ein Querschnitt durch eine Seegraswurzel, rechts eine Fluoreszenzaufnahme der Bakterien (in pink) im Inneren der Seegraswurzel.
(Bild: Daniela Tienken/Soeren Ahmerkamp/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)

Die neu entdeckten Bakterien in den Pflanzenwurzeln benannten Mohr und ihr Team nach deren Gastgeber, dem Neptungras, mit dem lateinischen Namen Celerinatantimonas neptuna. Verwandte von C. neptuna wurden bisher auch bei Algen im Meer gefunden, z. B. beim Seetang. „Als die Seegräser vor etwa 100 Millionen Jahren vom Land ins Meer gezogen sind, haben sie wohl die Bakterien von den großen Algen übernommen“, vermutet Mohr. „Sie haben das an Land höchst erfolgreiche System sozusagen kopiert und sich dann, um im nährstoffarmen Meerwasser überleben zu können, einen marinen Symbionten erworben.“

Ein Teil der Bucht von Fetovaia, wo die meisten Proben dieser Studie gesammelt wurden.
Ein Teil der Bucht von Fetovaia, wo die meisten Proben dieser Studie gesammelt wurden.
(Bild: Wiebke Mohr / Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)

Die aktuelle Studie beschäftigte sich mit Seegras der Gattung Posidonia im Mittelmeer. Möglicherweise bewährt sich das Konzept aber auch andernorts. „Genanalysen deuten darauf hin, dass es auch an tropischen Seegräsern und in Salzwiesen solche Symbiosen gibt“, sagt die Mikrobiologin. „So schaffen es diese Blütenpflanzen, verschiedenste, augenscheinlich nährstoffarme Lebensräume zu besiedeln, im Wasser ebenso wie an Land.“

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Im Winter und Frühjahr reichen die im Wasser und Sediment vorhandenen Nährstoffe den Seegräsern aus. Im Sommer jedoch, wenn das Sonnenlicht zunimmt und immer mehr Algen wachsen und die wenigen vorhandenen Nährstoffen aufzehren, wird der verfügbare Stickstoff schnell knapp. Trotz dieses Mangels weisen Seegräser dann aber ihr größtes Wachstum auf. Denn zu dieser Zeit übernehmen die Symbionten in den Pflanzenwurzeln die Stickstoffversorgung. Sie liefern den Seegräsern direkt den benötigten Nährstoff.

Die Methoden der Forscher

Die nun vorliegende Studie schlägt eine Brücke über das gesamte Ökosystem, von der Produktivität des Seegrases bis hin zu den dafür verantwortlichen Symbionten im Wurzelwerk. Um das zu ermöglichen nutzten die Forschenden eine Vielzahl verschiedener Methoden und kamen der Symbiose so detailliert wie möglich auf die Spur: Sauerstoffmessungen unmittelbar vor Ort verrieten die Produktivität der Seegraswiese. Mikroskopietechniken, bei denen einzelne Bakterienarten farblich markiert werden (das so genannte FISH) halfen dabei, die Bakterien in und zwischen den Wurzelzellen der Seegräser zu lokalisieren. Im NanoSIMS, einem hochmodernen Massenspektrometer, zeigten sie die Aktivität der einzelnen Bakterien. So genannte genomische und transkriptomische Analysen ergaben, welche Gene für die Interaktion vermutlich besonders wichtig sind und dass diese stark genutzt werden. So gelang den Forschern eine fundierte und detaillierte Beschreibung dieser erstaunlichen Zusammenarbeit.

„Als nächstes wollen wir nun diese neuen Bakterien genauer untersuchen“, sagt Mohr. „Wir wollen sie im Labor isolieren um genauer zu untersuchen, wie die Symbiose funktioniert und entstanden ist. Spannend wird sicher auch die Suche nach vergleichbaren Systemen in anderen Regionen und Lebensräumen.“

Originalpublikation: Wiebke Mohr, Nadine Lehnen, Soeren Ahmerkamp, Hannah K. Marchant, Jon S. Graf, Bernhard Tschitschko, Pelin Yilmaz, Sten Littmann, Harald Gruber-Vodicka, Nikolaus Leisch, Miriam Weber, Christian Lott, Carsten J. Schubert, Jana Milucka, Marcel M. M. Kuypers: Terrestrial-type nitrogen-fixing symbiosis between seagrass and a marine bacterium. Nature (2021); DOI: 10.1038/s41586-021-04063-4

* Dr. F. Aspetsberger, Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, 28359 Bremen

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