Je vielfältiger die auf den Blättern lebenden Bakterien sind, desto produktiver ist die Pflanzengemeinschaft. • Alexander Markov • Science News zu den "Elementen" • Botanik, Mikrobiologie, Evolution

Je vielfältiger die auf den Blättern lebenden Bakterien sind, desto produktiver ist die Pflanzengemeinschaft

Abb. 1. Versuchszeichnungen des IDENT-Projekts. Foto von treedivnet.ugent.be

Das Experiment zum Anbau von 54 Kombinationen von 19 Baumarten an 216 identischen Standorten ermöglichte es kanadischen Biologen, neue Daten über die Faktoren zu erhalten, die die Produktivität der Pflanzengemeinschaften beeinflussen. Das Experiment bestätigte die positiven Auswirkungen der Artenvielfalt der Gemeinschaft auf ihre Produktivität, die durch die Wachstumsrate der Bäume geschätzt wurde. Das Hauptergebnis der Studie war eine Demonstration der Beziehung zwischen der Produktivität der Gemeinschaft und der Vielfalt der auf den Blättern lebenden Bakterien. Es stellte sich heraus, dass Bäume bei gleichen Bedingungen besser wachsen, wenn eine Vielzahl von Bakterienflora auf ihren Blättern vorhanden ist.

Eines der Hauptmerkmale eines Ökosystems ist seine Produktivität, die als die Rate der Biomasseproduktion definiert werden kann. Dementsprechend ist eine der wichtigsten Aufgaben der Ökologie die Identifizierung von Faktoren, die sich auf die Produktivität auswirken (und somit die Menge der Ökosystemressourcen, die der Mensch für wirtschaftliche oder Freizeitzwecke nutzen kann).

Viele Eigenschaften eines Ökosystems, einschließlich seiner Produktivität und Widerstandsfähigkeit, sind eng mit der Artenvielfalt verbundenin seiner Zusammensetzung enthalten (siehe: In einer vielfältigen Gemeinschaft haben Tiere weniger Chancen zu verschwinden, "Elements", 13. Mai 2009). Hohe Diversität wirkt sich in der Regel positiv auf die Produktivität aus. Dies kann zum Beispiel dadurch erklärt werden, dass in einer vielfältigen Gemeinschaft, dank der Trennung von Nischen (siehe Nischen-Differenzierung), die Ressourcen der Umwelt allgemeiner genutzt werden. Dies wird als "Komplementaritätseffekt" bezeichnet (siehe: Ökologische Auswirkungen der Biodiversität). Oder vielleicht wächst und multipliziert sich die eine oder andere Art aktiver durch die Fluktuation der Bedingungen, und in einer vielfältigen Gemeinschaft mit jedem Zustand der Umwelt gibt es eine größere Wahrscheinlichkeit, dass es eine Art gibt, die sich unter diesen Bedingungen besonders gut anfühlt (dies wird als "Effekt" bezeichnet) Auswahl ").

Aber Umweltschützer sind natürlich nicht genug allgemeine Überlegungen über die Auswirkungen von Vielfalt auf die Produktivität. Um gute Modelle von Ökosystemfunktionen zu erstellen, die es erlauben, ihre Reaktion auf Veränderungen in der Umwelt vorherzusagen, muss man die Details kennen: Welche Aspekte der Biodiversität beeinflussen die Produktivität, welche Einflussmöglichkeiten gibt es, unter welchen Bedingungen und welche Mechanismen implementiert es

Im Rahmen der Suche nach Lösungsansätzen für dieses globale Problem wurde das Internationale Forschungsprojekt IDENT (International Diversity Experiment Network with Trees) seit 2009 in Kanada, den USA, Deutschland und Italien durchgeführt.Sein Hauptziel ist es, den Einfluss verschiedener Aspekte der Biodiversität auf das Wachstum von Bäumen zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf den frühen Wachstumsstadien, also auf jungen Bäumen, liegt. In einem Artikel auf der Website der Zeitschrift am 24. Mai veröffentlicht NaturDie Teilnehmer des IDENT-Projekts, die in einem Pilotgebiet in der Nähe von Montreal arbeiteten, berichteten über interessante Ergebnisse, die auf die mögliche Wirkung von Blattmikroben auf die Produktivität der Baumgemeinschaft hinwiesen.

Im IDENT-Projekt variieren die Einzelheiten der Methodik von Land zu Land leicht, aber die allgemeine Idee ist dieselbe. Die Projektteilnehmer pflanzen Bäume unterschiedlichen Typs in unterschiedlichen Kombinationen auf den gleichen kleinen Flächen (in Kanada haben sie eine Größe von 4 × 4 m) und überwachen dann das Wachstum der Setzlinge (Abb. 1). Bäume werden in einem Abstand von 50 cm voneinander gepflanzt, das ist sehr eng. Dies lässt uns hoffen, dass sich die gegenseitige Beeinflussung in den ersten Jahren manifestiert. An jeder Stelle werden somit 64 Setzlinge platziert. Baumgemeinschaften, die in verschiedenen Gebieten gepflanzt werden, unterscheiden sich auf zwei Arten: Arten und funktionelle Vielfalt.

Artenvielfalt ist einfach die Anzahl der Baumarten auf einem Grundstück.Die kanadische Gruppe verwendet 19 Arten von Bäumen: 12 lokale und 7 Alien, aber angepasst an die gleiche Klimazone. An jedem Standort wächst entweder nur eine Art (Monokultur) oder eine Mischung aus 2, 4 oder 12 Arten in gleichen Anteilen.

Die funktionale Vielfalt wird auf der Grundlage mehrerer Parameter berechnet, die die ökologische Strategie oder die funktionelle Rolle der Arten in der Gemeinschaft charakterisieren. Parameter sind die Intensität der Photosynthese, der Stickstoffgehalt in den Blättern, die Lebensdauer der Blätter (bei immergrünen Bäumen ist diese Zahl höher als bei Laubbäumen), die typische Wachstumsdichte für diese Art und die Masse der Blätter pro Flächeneinheit. Je größer die Unterschiede in diesen Indikatoren zwischen den auf dem Standort wachsenden Arten sind, desto höher ist die funktionale Vielfalt der Gemeinschaft. Zum Beispiel hat eine Gemeinschaft von zwei Birkenarten eine geringe funktionelle Vielfalt, und eine Gemeinschaft von einer Birkenart und einer Kieferart ist hoch, obwohl die Artenvielfalt in beiden Fällen gleich zwei ist.

Die Autoren verwendeten Daten von 54 Kombinationen von Bäumen mit unterschiedlichen Arten und unterschiedlicher Artenvielfalt, von denen jede in vier Bereiche gepflanzt wurde.Insgesamt wurden somit 216 Parzellen gezählt, auf denen insgesamt 216 × 64 = 13 824 Bäume gewachsen sind. Nur Daten auf den inneren 36 Bäumen jedes Quadrats wurden berücksichtigt, um mögliche Randeffekte zu minimieren. Die Produktivität jeder der 216 Gemeinden wurde durch den Anstieg der Höhe und des Durchmessers der Stämme über fünf Saisons von ihrer Landung im Jahr 2009 bis zum Herbst 2014 geschätzt.

Das Hauptziel der Studie war es, die Wirkung von Blattmikrobiom auf die Produktivität der Gemeinschaft zu beurteilen. In den letzten Jahren wurde durch die schnelle Entwicklung der Metagenomik und die aktive Untersuchung der mikrobiellen Population verschiedenster Umgebungen deutlich, dass die ubiquitären mikrobiellen Lebensgemeinschaften viele Aspekte des Lebens und möglicherweise die Entwicklung makroskopischer Organismen radikal beeinflussen (siehe: Darmbakterien beeinflussen das Sozialverhalten von Mäusen) , "Elemente", 21.06.2016). In der wissenschaftlichen Literatur finden sich immer häufiger Hinweise auf "Holobiont" (siehe Holobiont), mit denen sie den Makroorganismus zusammen mit der gesamten begleitenden Mikrobiota verstehen und den er als Grundeinheit in Ökologie und Evolutionsbiologie betrachten soll (siehe: Die Wahl des Paarungspartners bei Tieren hängt von Bakterien ab , "Elemente", 11.12.2010).

Es wurde bereits gezeigt, dass auf Blättern lebende Bakterien das Leben einer Wirtspflanze auf verschiedene Arten beeinflussen können. Bakterielle Symbionten können eine Pflanze vor Krankheitserregern schützen, indem sie mit ihnen konkurrieren oder die Produktion von Schutzstoffen durch die Pflanze selbst regulieren. Bakterien beeinflussen die Synthese von Pflanzenhormonen (Auxine, Cytokinine) und den Pflanzenstoffwechsel, einschließlich aufgrund ihrer Fähigkeit, atmosphärischen Stickstoff zu fixieren. Es wurde auch festgestellt, dass Blattbiobiota in gesunden Pflanzen in der Regel vielfältiger sind als in kranken und verkümmerten. Das gleiche gilt übrigens für die menschliche Darmmikrobiota. Bis jetzt gab es jedoch keine direkten experimentellen Daten zum Verhältnis der Blatt-Mikrobiota-Diversität zur Produktivität der Pflanzengemeinschaft.

Die Forscher sammelten aus ihren 216 Parzellen 620 Blattproben – jeweils eine Probe von jeder Baumart an jedem Standort. Bakterienzellen wurden von den Blättern gewaschen, DNA wurde daraus isoliert und die Zusammensetzung der mikrobiellen Population wurde durch die Sequenzen des bakteriellen 16S-rRNA-Gens bewertet. Insgesamt wurden etwa 7.000 Bakterienarten gefunden, die in nennenswerter Menge auf den Blättern vorhanden sind.

Die gesammelten Daten wurden einer komplexen statistischen Analyse unterzogen. Zunächst bestimmten die Autoren, woher die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft kommt, dh welche Arten von Bakterien auf den Blättern eines bestimmten Baumes leben. Es stellte sich heraus, dass der wichtigste Faktor hier die Art des Holzes ist. Dieses Ergebnis kann kaum als unerwartet bezeichnet werden, aber es wurde auch etwas Interessanteres gefunden: eine schwache, aber zuverlässige Verbindung zwischen der Artenvielfalt der Bäume im Gebiet und der Zusammensetzung der Bakterienpopulation der Blätter dieses Baumes.

Was die Artenvielfalt (Anzahl der Arten) von Bakterien an einem gegebenen Baum anbelangt, so stellte sich heraus, dass sie eng mit den Baumarten sowie ihrer "funktionellen Identität" (dh dem Komplex der oben genannten funktionellen Merkmale) verwandt ist. Darüber hinaus steht die Diversität der Mikroben, die auf den Blättern eines bestimmten Baumes leben, in direktem Zusammenhang mit der funktionellen Vielfalt der Bäume in diesem Gebiet.

Das wichtigste Ergebnis der Studie besteht darin, eine verlässliche Beziehung zwischen der Produktivität der Pflanzengemeinschaft und der Vielfalt der auf den Blättern lebenden Bakterien zu finden.Die Produktivität der Gemeinschaft korreliert am stärksten mit der Artenvielfalt der Bäume: Je mehr Arten auf dem Gelände wachsen, desto höher ist die durchschnittliche Wachstumsrate der Bäume. Die Produktivität hängt auch von der funktionellen Vielfalt der Bäume und ihrer "funktionalen Identität" ab. Letzteres bedeutet, dass eine Gemeinschaft mit einer Vorherrschaft von Laubbäumen mit einer hohen Photosyntheseleistung produktiver ist als eine Gemeinschaft mit einer Vorherrschaft von immergrünen Pflanzen mit langsamer Photosynthese. Aber trotz all dieser Faktoren bleibt die positive Beziehung zwischen der Produktivität der Gemeinschaft und der Vielfalt der Blattbakterien signifikant. Mit anderen Worten, wenn wir Gemeinschaften mit der gleichen Zusammensetzung von Bäumen nehmen, werden diese im Durchschnitt schneller wachsen, wobei die Vielfalt der Bakterien auf den Blättern höher ist (Abb. 2).

Abb. 2 Die wichtigsten in der Studie identifizierten Beziehungen. Schwarze Pfeile bezeichnen positive Verbindungen, grau – negativ. Zahlen und Pfeilstärke spiegeln die Stärke der Bindung wider Pluspunkte und Sternchen – das Niveau seiner statistischen Signifikanz (+ – niedrig, ** – mittel, *** – hoch). Funktionelle Vielfalt – funktionelle Vielfalt; Artenreichtum – Artenvielfalt; Funktionale Identität – funktionelle Identität, komplexe Eigenschaft,die funktionelle Leistung dieses Baumtyps widerspiegelnd; Bakterielle Vielfalt der Blätter – eine Vielzahl von blattlebenden Bakterien; Produktivität – Produktivität der Pflanzengemeinschaft. Die negative Verbindung zwischen funktionaler Identität und Produktivität bedeutet, dass eine Gemeinschaft mit einer Vorherrschaft von immergrünen Bäumen mit geringer Photosynthesensättigung langsamer wächst als eine Gemeinschaft mit einer Dominanz von Laubbäumen mit einer hohen Photosynthesesynthese (trotz der Tatsache, dass die Bakterienvielfalt auf den Blättern im ersten Fall höher ist) ). Abbildung aus dem besprochenen Artikel in Natur

Im Gegensatz zu von Vielfalt mikrobielle Population von Blättern, seine Struktur (Das heißt, welche Arten von Blattbakterien in diesem Bereich vorherrschen) korreliert nicht signifikant mit der Produktivität der Gemeinschaft. Es stellt sich heraus, dass die Bäume sich nicht wirklich darum kümmern, welche Art von Mikroben auf ihren Blättern leben, die Hauptsache ist, dass diese Mikroben vielfältig sind. Dies bedeutet wahrscheinlich, dass die Assoziation von mikrobieller Diversität mit Produktivität eher durch den "Komplementaritätseffekt" als durch den "Selektionseffekt" (so) erklärt wird. Zum BeispielEs kann angenommen werden, dass die vielfältige Mikrobenpopulation eines gesunden Blattes alle verfügbaren Ressourcen auf dem Blatt und den Nischen, die potentiell für Mikroben zugänglich sind, voll ausnutzt, und daher ist es für schädliche Mikroben schwieriger, sich auf einem solchen Blatt zu vermehren. Natürlich müssen alle diese Vermutungen experimentell verifiziert werden.

Die Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass eine Vielzahl von auf den Blättern lebenden Bakterien sich positiv auf die Produktivität der Pflanzengemeinschaft auswirkt. Es stimmt, die Autoren bestätigen, dass sie immer noch keine strengen experimentellen Beweise für die Wirkung von Bakterien auf die Produktivität erhalten haben. Dazu sollten sie künstlich die Vielfalt der Bakterien in den Bäumen verändern, alles andere unverändert lassen und sehen, wie sich diese Manipulationen auf die Produktivität auswirken. Nichtsdestoweniger zeigte die Studie, dass, um adäquate ökologische Modelle zu erstellen und die Reaktion von Ökosystemen auf sich ändernde Bedingungen genau vorherzusagen, die nachgewiesene Beziehung zwischen Blattmikrobiota und Produktivität untersucht und berücksichtigt werden muss.

Quelle: Isabelle Laforest-Lapointe, Alain Paquette, Christian Messier und Steven W. Kembel. Blatt-Bakterien-Diversität vermittelt Pflanzenbeziehungen und Ökosystemfunktionsbeziehungen // Natur. Veröffentlicht online 24. Mai 2017. DOI: 10.1038 / nature22399.

Alexander Markow


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