Neues Rätsel gelöst: Diatomeen-Bakterien-Teamwork klärt Stickstoffgeheimnis der Meere auf

BerlinWissenschaftler haben eine unerwartete Teamarbeit im Ozean entdeckt. Forscher des Max-Planck-Instituts, des Alfred-Wegener-Instituts und der Universität Wien erklärten, wie marine Kieselalgen an den für ihr Wachstum notwendigen Stickstoff gelangen. Diese Partnerschaft zwischen einer marinen Kieselalge und einem Bakterium spielt eine entscheidende Rolle bei der Anreicherung der Ozeane mit Stickstoff und hat weltweit Auswirkungen auf das Meeresleben.

Das ist aus mehreren Gründen von großer Bedeutung:

• Stickstoff ist ein wesentliches Element für das Wachstum von Pflanzen, sowohl an Land als auch im Meer.
• Atmosphärischer Stickstoff muss in eine verwertbare Form, genannt Ammonium, umgewandelt werden. Dies geschieht durch stickstofffixierende Bakterien.
• Während einige Nutzpflanzen Rhizobien-Bakterien zur Stickstofffixierung nutzen, war bisher ungeklärt, wie marine Diatomeen ihren Stickstoff erhalten. Jetzt ist dieses Rätsel gelöst.

Eine neue Studie zeigt, dass Rhizobien, die normalerweise mit Pflanzen wie Sojabohnen leben, auch in Verbindung mit marinen Diatomeen vorkommen. Diese Entdeckung beantwortet eine alte Frage und könnte die Landwirtschaft verbessern.

Wissenschaftler gingen früher davon aus, dass Cyanobakterien die Hauptorganismen zur Stickstofffixierung im Meer seien. Doch die beobachteten Stickstoffmengen in vielen Gebieten passten nicht zu dieser Annahme. Forscher entdeckten später Genfragmente, die mit der Stickstofffixierung in anderen Mikroorganismen in Verbindung stehen, konnten aber nicht feststellen, welcher Organismus dafür verantwortlich war.

Im Jahr 2020 sammelten Wissenschaftler aus Bremen und dem tropischen Nordatlantik Proben von Meerwasser. Über die folgenden drei Jahre entschlüsselten sie sorgfältig den genetischen Code eines rätselhaften stickstofffixierenden Bakteriums. Ähnlich wie Rhizobien könnte dieses Bakterium in Symbiose mit anderen Organismen leben.

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Das Team entwickelte ein Werkzeug, um Rhizobien in ihrer natürlichen Umgebung zu beobachten. Sie stellten fest, dass das Bakterium in Diatomeen lebt und nannten es Candidatus Tectiglobus diatomicola. Mithilfe der nanoSIMS-Technologie fanden sie heraus, dass das Rhizobium fixierten Stickstoff mit der Diatomee gegen Kohlenstoff austauscht. Das Bakterium produziert mehr Stickstoff als es selbst benötigt, was das Wachstum der Diatomee fördert.

Forscher haben herausgefunden, dass die Partnerschaft zwischen Diatomeen und Bakterien im Ozean weitverbreitet ist, besonders in Gegenden mit wenigen Cyanobakterien. Dies zeigt, dass sie eine Schlüsselrolle bei der Stickstofffixierung und der marinen Produktivität spielen. Diese Entdeckungen verbessern unser Verständnis der marinen Ökosysteme und wie die Ozeane Kohlenstoff binden.

Aus evolutionärer Sicht ist diese Beziehung faszinierend. Ihr Verlauf erinnert an die frühe Bildung von Organellen in Cyanobakterien und könnte auf einen ähnlichen evolutionären Prozess hinweisen. Die geringe Größe und ihre orgänellähnlichen Merkmale der marinen Rhizobiales deuten darauf hin, dass sie durch Gentechnik zur Schaffung stickstofffixierender Pflanzen genutzt werden könnten.

Die Entdeckung der Partnerschaft zwischen Diatomeen und Rhizobien löst ein großes Rätsel des Ozeans und könnte auch in der Landwirtschaft nützlich sein. Wissenschaftler werden diese Partnerschaft weiter erforschen und nach weiteren Beispielen im Meer suchen. An dieser Forschung sind das Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie, das Alfred-Wegener-Institut und die Universität Wien beteiligt.