Endosporen schlummern in tiefen Meeressedimenten

Eine Untersuchung von Meeressedimenten aus der ganzen Welt zeigt, dass schlafende bakterielle Endosporen einen signifikanten Anteil an der gesamten mikrobiellen Biomasse ausmachen.

Für eine Studie haben Forschende zum ersten Mal ihre Zahl genauer bestimmt. Jetzt wurden die Ergebnisse von Dr. Lars Wörmer vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen und seinen Koautorinnen und -autoren in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Marine Sedimente beherbergen eine große Masse an Mikroorganismen, darunter sind auch Endosporen. Das sind resistente, ruhende Bakterien, die zur Gruppe der Firmicutes-Bakterien gehören – und sie sind wahre Überlebenskünstler.

Sie können vom Ruhe- in den vitalen Modus wechseln, sobald die Bedingungen in ihrem Lebensraum es zulassen. Ein Team von Forschenden hat jetzt zum ersten Mal die Zellen zahlenmäßig bestimmt.

Ziel von Dr. Lars Wörmer vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen und seinen Kolleginnen und Kollegen war es, mit den Daten die Diversität an Systemen abzudecken, um so ein globales Verständnis für das Vorkommen von Endosporen zu bekommen. Dafür haben sie Sedimentproben aus allen Teilen der Welt und verschiedenen Tiefen ausgewertet.

„Neben den vegetativen Zellen gibt es weit verbreitet auch Endosporen – vor allem die Küstenzonen sind besonders reich an diesen Überlebenszellen“, sagt Lars Wörmer, Erstautor der Studie.

Bereits seit den 1990er-Jahren ist bekannt, dass in der Tiefsee nicht nur Ödnis herrscht, sondern dass es auch in den marinen Sedimenten Leben gibt. Seitdem arbeiten Forschende daran zu verstehen, wie das Leben der Organismen in der Tiefe funktioniert, an einem lebensfeindlichen und nährstoffarmen Ort. Je tiefer im Meeresboden, desto widriger die Umstände: die Temperatur steigt, es gibt kaum Energiequellen.

Ab einer Tiefe von etwa 25 Metern unter dem Meeresboden gibt es mehr Endosporen als andere lebende Zellen. Mit der Tiefe steigt also die Zahl der ruhenden Zellen. Unklar ist jedoch, ob die Lage im Meeresboden auch Informationen zum geologischen Alter gibt, oder aber ob sich die Endosporen irgendwann während der Anlagerung gebildet haben. „Wir kennen das Alter der Ablagerungen“, sagt Lars Wörmer, „wissen aber nicht, ob die Endosporen ebenso alt sind.“

Um die Sporen nachzuweisen, haben die Forschenden den Biomarker Dipicolinsäure (DPA) genutzt. DPA stabilisiert die Spore. Wenn die Zellen entweder sterben oder aber wieder erwachen, wird DPA ausgeschüttet, ist dann also nicht mehr nachweisbar. Mit diesem Hintergrund konnten Wörmer und seine Kolleginnen gezielt nach DPA suchen. Der Biomarker ist bereits seit den 1960er-Jahren bekannt, allerdings wurde eine passende Analytik für Endosporen in Sedimenten erst 50 Jahre später entwickelt.

Welche ökologische Rolle Endosporen in ihrem Lebensraum einnehmen, ist bislang jedoch noch nicht klar. Die Forschenden vermuten, dass die älteren Endosporen als eine Art Samenbank in der Tiefe existieren und hier die genetische Vielfalt bewahren – bis sie auf ein günstigeres Lebensumfeld treffen und sich reaktivieren.

Gerade das macht für Lars Wörmer die Faszination aus, sich mit der tiefen Biosphäre zu beschäftigen. „Man weiß teilweise gar nicht, was sich in den Meeressedimenten verbirgt – und warum.“ Künftig müssten er und seine Kolleginnen und Kollegen sich mit Überlebensformen, aber ebenso auch mit ihren Aufwachmechanismen beschäftigen.

Die Studie basiert auf mehr als 300 marinen Sedimentproben, die auf insgesamt 15 Schiffsexpeditionen gewonnen wurden, und zwar zwischen 2002 und 2015. Viele der Fahrten wurden im Rahmen des internationalen Bohrprogramms IODP (International Ocean Discovery Program) und dessen Vorgängern realisiert.

Am Projekt sind neben Wörmer zum Beispiel auch Bernhard Viehweger, Rishi R. Adhikari, Martin Könneke und Kai-Uwe Hinrichs (alle vom MARUM) sowie Tatsuhiko Hoshino und Fumio Inagaki (JAMSTEC – Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, Japan) sowie Marshall Bowles (Louisiana Universities Marine Consortium, USA) beteiligt.

MARUM entschlüsselt mit modernsten Methoden und eingebunden in internationale Projekte die Rolle des Ozeans im System Erde – insbesondere im Hinblick auf den globalen Wandel. Es erfasst die Wechselwirkungen zwischen geologischen und biologischen Prozessen im Meer und liefert Beiträge für eine nachhaltige Nutzung der Ozeane. Das MARUM umfasst den Exzellenzcluster „Der Ozeanboden – unerforschte Schnittstelle der Erde“ sowie weitere nationale und internationale Forschungsprojekte angesiedelt.

Dr. Lars Wörmer
Telefon: 0421 218 65710
E-Mail: lwoermer@marum.de

Lars Wörmer, Tatsuhiko Hoshino, Marshall W. Bowles, Bernhard Viehweger,
Rishi R. Adhikari, Nan Xiao, Go-ichiro Uramoto, Martin Könneke, Cassandre S. Lazar,
Yuki Morono, Fumio Inagaki, Kai-Uwe Hinrichs: Microbial dormancy in the marine subsurface: Global endospore abundance and response to burial; Science Advances 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aav1024

http://www.marum.de/Entdecken/Endosporen-schlummern-in-tiefen-Meeressedimenten.h…