Endosporen in der tiefen marinen Biosphäre: Verteilung, Häufigkeit und Funktion
Mineralogie, Petrologie und Geochemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Unser Projekt hat sich mit der Häufigkeit und Verteilung bakterieller Endosporen in marinen Sedimenten befasst. Endosporen sind ausdauernde, ruhende Zellen, die von einigen Vertretern des Bakterienstammes Firmicutes durch den Prozess der Sporenbildung gebildet werden. Sie können rauen Umgebungsbedingungen für langanhaltende Perioden widerstehen und unter günstiger werdenden Bedingungen im Habitat wieder reaktiviert werden. Ihre Fähigkeit, in der Umwelt in geologischen Zeiträumen zu überdauern, macht Endosporen zu ausgezeichneten Kandidaten für das Überleben in der tiefen Biosphäre. Zu Beginn des Projektes existierten nur wenige quantitative Untersuchungen, die jedoch auf eine potentiell relevante ökologische Rolle in marinen Sedimenten hindeuteten. Unser Projekt hatte daher die Erforschung der ökologischen Relevanz von Endosporen und die Identifikation der Faktoren, die das Vorkommen in der tiefen Biosphäre kontrollieren, zum Ziel. Dazu quantifizierten wir den endosporenspezifischen Biomarker Dipicolinsäure (DPA) an einem global verteilten Probensatz aus marinen Sedimenten. Aus den Konzentrationen dieses Biomarkers können belastbare Einschätzungen der Endosporen abgeleitet werden. Dabei wurde offensichtlich, dass das Verhältnis von Endosporen zu vegetativen Zellen mit der Tiefe zunahm, was auf ihre besondere ökologische Bedeutung, z.B. den Erhalt der Lebensfähigkeit, in der tiefen Biosphäre hindeutet. Die Endosporenhäufigkeit wurden in drei Modellen verwendet, um die Beobachtungen unserer Studienstandorte auf eine weltweite Skala zu extrapolieren. Mit einem Biomasseäquivalent zwischen 4,6 und 35 Pg Kohlenstoff im oberen Kilometer mariner Sedimente scheinen Endosporen die entsprechende Masse an vegetativen Zellen zu übertreffen. In einer standortspezifischen Untersuchung an zwei extrem tiefen Bohrlöchern (Site C0020, IODP Exp. 337 und Site C0023, IODP Exp. 370) ermittelten wir die Verteilung von Endosporen im Zusammenhang mit der Lithologie und Temperatur im Sediment. An dem T-Limit Standort C0023 in der Nankai-Trog Subduktionszone, an dessen Basis die Temperatur im Sediment bis zu ~120 °C erreicht, zeigte sich bemerkenswerterweise, dass Endosporen in zwei Tiefenintervallen gehäuft auftreten, in denen die Temperaturen mit den oberen Grenzwerten für mesophile und thermophile Firmicutes korrespondieren (~50 °C und 85 °C). Diese beiden Akkumulationen von Endosporen sind wahrscheinlich das Ergebnis einer relativ jungen Erwärmung des Sediments und damit ein Anzeiger der Überlebensstrategie einer bedeutenden Gruppe von Bewohnern der tiefen Biosphäre. Wir schätzen, dass in den Sedimenten des Standorts C0023, in denen die Temperatur über 40 °C liegt, die Häufigkeit von Endosporen ca. 6000-mal höher ist als die der vegetativen Zellen. Am Standort C0020 vor der Shimokita Halbinsel mit der bisher tiefsten Sedimentbohrtiefe, in der jemals mikrobielles Leben nachgewiesen wurde, war die Detektion von Endosporen auf Intervalle mit organischreichen Braunkohleschichten begrenzt, was darauf hindeutet, dass die Verfügbarkeit der organischen Substanz eine kontrollierende Rolle spielt. Neben diesen wegweisenden Entdeckungen führte das Projekt außerdem zu Optimierungen im Protokoll der DPA-Extraktion. In Zusammenarbeit mit Prof. Mark Lever an der ETH Zürich erkundeten wir das Potential der Gene, die die Sporulation in marinen Sedimenten kodieren. Diese Pilotexperimente wurden an Sedimenten des Guaymas Beckens durchgeführt und demonstrierten das Potential zur Quantifizierung von endosporenbildenden Firmicutes. Das Projekt beförderte eine intensive Zusammenarbeit mit den Kollegen bei JAMSTEC, Japan, an der ETH Zürich, Schweiz, und am LUMCON, USA.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2017. Temperature Limit of the Deep Biosphere off Muroto. Proceedings of the International Ocean Discovery Program, 370: College Station, TX (International Ocean Discovery Program)
Heuer, V.B., Inagaki, F., Morono, Y., Kubo, Y., Maeda, L., and the Expedition 370 Scientists
(Siehe online unter https://doi.org/10.14379/iodp.proc.370.2017) - 2019. Microbial dormancy in the marine subsurface: Global endospore abundance and response to burial. Science Advances, 5(2), p.eaav 1024
Wörmer, L., Hoshino, T., Bowles, M.W., Viehweger, B., Adhikari, R.R., Xiao, N., Uramoto, G.I., Könneke, M., Lazar, C.S., Morono, Y., Inagaki, F., and Hinrichs, K.U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/sciadv.aav1024)
