De stofwisselingsstrategieën voor overleving van bodemmicroben onthuld
Bodemmicro-organismen moeten het hoofd bieden aan zware, veranderende omstandigheden, zowel in bodems in een gematigd klimaat als in de woestijn. Veel van de bodemmicrobiologische diversiteit is opgenomen in een ‘microbiologische zaadbank’. Hier wordt ervan uitgegaan dat het overgrote deel op enig moment rustend is, waarbij verschillende leden worden geactiveerd naarmate de omstandigheden in hun omgeving veranderen. Het project DormantMicrobes (Revealing the function of dormant soil microorganisms and the cues for their awakening), ondersteund door de Europese Onderzoeksraad, werd opgezet om te onderzoeken hoe bodemmicro-organismen zijn toegerust voor een rustend leven in bodemkorsten in de woestijn en in een gematigd klimaat, en onderzocht enkele van de omgevingssignalen die ertoe kunnen leiden dat ze worden geactiveerd. “Voorheen was er slechts weinig bekend over het percentage actieve versus rustende cellen in de bodem, laat staan dat er informatie beschikbaar was over de daadwerkelijke strategieën om met zware omstandigheden om te gaan”, legt projectcoördinator Dagmar Woebken van de Universiteit van Wenen uit.
Een breed scala aan overlevingsstrategieën
Het team van Woebken werkte met micro-organismen in de bodemkorst van de Negev-woestijn met behulp twee uiterst moderne methoden: NanoSIMS en meta-omica. Gebrek aan water beperkt activiteit in de bodemkorst in de woestijn. Het project onderzocht daarom microbiologische reactivering door regen na te bootsen. Het doordringen van de bodem met stabiele isotopen werd toegepast middels het gebruik van ‘zwaar water’ – dat het zeldzame isotoop deuterium bevat, in plaats van waterstof. Cellen met deuterium, dat fungeerde als markering, werden met NanoSIMS gevolgd om de reactivering op celniveau gedurende de tijd te volgen. “Onze gegevens bevestigden dat sommige cellen inderdaad rustend blijven, waarschijnlijk als een soort verzekeringspolis voor de gemeenschap”, vertelt Woebken. Om mogelijke genen en paden te onthullen die essentieel zijn voor rust en activering, werd de aanpak met meta-omica tevens toegepast voor DNA- en mRNA-sequentie van de in de bodem levende micro-organismen. “We hebben bijna volledige genomen geconstrueerd, waarbij we een aanzienlijke diversiteit van voorheen onbekende bodemmicro-organismen hebben ontdekt. Deze gegevens onthulden tevens een grote variëteit aan strategieën die microben gebruiken om te overleven in ongunstige omstandigheden”, voegt Woebken toe. Deze overlevingsmechanismen omvatten de strategie van ‘overvloed en gebrek’, waarbij microben reageren op plotselinge waterpulsen door gebruik te maken van organische voedingsstoffen als energiebronnen, of door het genereren van ruststadia. Daarnaast kan de productie worden verminderd van reactieve zuurstof, waardoor anders DNA en proteïnen zouden beschadigen. Cellen bevatten enzymen die deze celonderdelen beschermen of repareren. Een in het bijzonder interessante strategie is het genereren van energie door het opnemen van atmosferische gassen, zoals waterstof. Toen het team dit fenomeen verder onderzocht, ontdekte men dat ook micro-organismen in gematigd klimaat atmosferische gassen opnemen en werden enkele nieuwe en alomtegenwoordige taxa met deze potentie geïdentificeerd. “We ontdekten deze metabolische capaciteit in uiterst succesvolle bodemmicroben, acidobacteriën genoemd”, aldus Woebken. “Deze capaciteit komt ook veel voor in andere bodemmicroben, in omgevingen met een volledig andere bodem en met andere stressoren. Dit toont aan dat dit een veelvoorkomende overlevingsstrategie is.” De onderzoekers richten hun aandacht nu op het onderzoeken of dit inderdaad het geval is. Met de resultaten kunnen zij bepalen of micro-organismen in minder schrale bodems net zo goed droogte kunnen doorstaan als hun soortgenoten uit de woestijn.
Biodiversiteit garanderen
Het toenemen van droogte en woestijnvorming zijn slechts twee kenmerken van de invloed die de door de mens veroorzaakte klimaatverandering heeft op de vele ecosystemen op aarde. “Met een beter inzicht in de mechanismen die micro-organismen hebben ontwikkeld om gebrek aan water te overleven en om snel te reactiveren zodra er weer water beschikbaar is, zijn we ons beter bewust van de manieren waarop biodiversiteit in deze ecosystemen kan bestaan. Deze kennis kan ons helpen bij toekomstige inspanningen om de gevolgen van klimaatverandering te beperken”, rond Woebken af.
Keywords
DormantMicrobes, bodem, microben, atmosferisch gas, gematigd, droog, waterstof, rustende cellen, woestijn, isotoop, deuterium, overlevingsstrategieën