Wie Bodenbakterien der Dürre trotzen Überleben in der Wüste: Mikroben gehen „all in“

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Die Wüste lebt – zumindest nach einem der seltenen Regenschauer. Dann kommen Bodenmikroben aus ihrem Ruhezustand heraus und werden aktiv. Ihre „All-in“-Reaktivierungsstrategie haben Forscher nun genauer untersucht, um zu verstehen, wie die Mikroorganismen die extremen Dürre überstehen.

Trockengebiete bedecken über 46 Prozent der weltweiten Landfläche – durch den Klimawandel und nicht nachhaltige Landwirtschaft breiten sie sich kontinuierlich aus. Während Pflanzen in diesen Wüstengebieten selten anzutreffen sind, gedeihen Mikroorganismen im Wüstenboden und spielen eine entscheidende Rolle in diesem Ökosystem. Diese Mikroben in der so genannten Biokruste, den obersten Millimetern bis zu ca. einem Zentimeter des Bodens, versorgen den Boden mit Kohlenstoff und Stickstoff, fügen ihm also Nährstoffe hinzu. Außerdem tragen sie dazu bei, die Bodenerosion zu verhindern und Wasser zu speichern.

Diese Mikroorganismen leben jedoch in einer wahrlich herausfordernden Umwelt: Sie sind langen Dürreperioden ausgesetzt, während es nur selten regnet. Bislang war unklar, wie die Mikroben unter diesen Umständen wichtige Ökosystemfunktionen in Wüstenböden aufrechterhalten können. Nun hat ein Forscherteam um Dr. Dagmar Woebken vom Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaften (CeMESS) an der Universität Wien neue Einblicke in das mikrobielle Leben in diesen Böden erhalten.

Überleben im Extremen

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Regen rehydriert die Massen

Die Wissenschaftler haben eine Art „All-in“-Reaktivierungsstrategie in Biokrusten aus der israelischen Negev-Wüste entschlüsselt: Die Bakterien nutzen die kurzen Regenereignisse optimal aus, da in diesem schmalen Aktivitätsfenster nahezu die gesamte mikrobielle Vielfalt und fast alle Zellen aktiv werden. Die langen Dürreperioden überstehen die Bakterien in einer Art Ruhezustand. Reaktiviert werden sie dann durch spontane und kurze Regenfälle.

„Wenn wir im Labor ein Regenereignis simulieren, konnten wir beobachten, dass innerhalb der ersten 15 bis 30 Minuten des Regens fast alle bakteriellen Gruppen der Biokruste von einem ruhenden Modus in einen aktiven Modus wechselten“, beschreibt Dimitri Meier, Co-Erstautor der Studie. „Das ist eine bemerkenswerte Eigenschaft der Wüstenbodenbakterien, da in anderen Bodentypen viele Bakteriengruppen wesentlich länger für eine Reaktivierung brauchen.“ Die Wüstenbodenbakterien zeichnen sich also dadurch aus, dass sie unmittelbar nach der Reaktivierung mit der Energiegewinnung und der Reparatur ihres Genoms beginnen.

Viel Aktivität, aber kaum Vermehrung

In der Studie simulierten die Forscher Regenereignisse mit stabilem, Isotopen-markierten Wasser – also Wasser, das schweren Wasserstoff enthält. Mit Nano SIMS (Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometer) untersuchten sie einzelne Zellen auf den Einbau des schweren Wasserstoffatoms. „Durch diesen Ansatz konnten wir den Anteil der Biokrustenzellen ermitteln, die bei einem Regenereignis reaktiviert werden. Somit konnten wir auch abschätzen, ob sie bei kurzen Regenereignissen, die in sehr trockenen Wüsten oft nur ein bis zwei Tage dauern, wachsen können“, erklärt Stefanie Imminger, Doktorandin und Co-Erstautorin der Studie. „Unser Fazit: Fast alle Biokrustenzellen werden reaktiviert, aber nur ein kleiner Teil der Zellen kann sich bei diesen kurzen Regenperioden verdoppeln“, sagt Imminger. Der Großteil der Biokrustenzellen kann Regenereignisse also zum Regenerieren und zur Vorbereitung auf die nächste Dürre nutzen, doch zur Zellteilung kommt es nicht.

„Diese Daten helfen uns zu verstehen, wie Biokrusten-Bakterien die kurzen Aktivitätsfenster, die sie in Wüsten erleben, optimal nutzen“, sagt Studienleiterin Woebken. Die Mikroben seien ideal angepasst, um kurzfristige Veränderungen im Wassergehalt des Bodens auszuhalten. „Damit überleben sie den plötzlichen Anstieg im Wassergehalt beim Regen, aber auch die anschließende Austrocknung“, ergänzt die Forscherin. „Zudem ist die vielfältige mikrobielle Gemeinschaft in der Lage, sofort zu reaktivieren, was von großem Nutzen ist, wenn man in wenigen Stunden bis Tagen wieder in Ruhezustand zurückkehren wird müssen.“

Ergebnisse in Zeiten der Erderwärmung besonders relevant

Die Ergebnisse dieser Studie sind nicht nur für Wüstengebiete relevant, sondern auch für andere Regionen. Denn auch in gemäßigten Regionen wird die Fähigkeit, eine Wasserknappheit zu überleben, für Bodenmikroorganismen immer wichtiger, da die Häufigkeit und Intensität von Dürreperioden aufgrund des Klimawandels zunehmen. Die Erkenntnisse aus der Wüstenbodenforschung können helfen zu verstehen, welche Eigenschaften Bodenmikroorganismen erfolgreich machen, um diese Herausforderungen zu bewältigen.

Originalpublikation: Imminger, S., Meier, D.V., Schintlmeister, A., Legin, A., Schnecker, J., Richter, A., Gillor, O., Eichorst, S.A., Woebken, D.: Survival and rapid resuscitation permit limited productivity in desert microbial communities, Nature Communications volume 15, Article number: 3056 (2024); DOI: 10.1038/s41467-024-46920-6

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