Mehr als 80 % aller Landpflanzen leben in Partnerschaft mit Pilzen, um Nährstoffe aus dem Boden zu gewinnen, im Austausch gegen kohlenstoffreiche Zucker, die durch Photosynthese produziert werden. Jüngste Forschungen zeigen, dass diese Pilze, Mykorrhiza genannt, mehr Kohlenstoff speichern als bisher angenommen, was einem Drittel aller jährlichen Emissionen fossiler Brennstoffe entspricht. Wenn diese Pilze absterben, hinterlassen sie „Nekromasse“ – totes organisches Material voller Kohlenstoff, das Jahrzehnte im Boden verbleibt, bevor es wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird. Das Pigment Melanin, das in vielen Pilzarten und Pilznekromasse vorkommt, verlangsamt nachweislich den Zersetzungsprozess und hält so mehr Kohlenstoff länger im Boden. Um die Rolle abgestorbener Pilzzellen beim Klimawandel besser zu verstehen, haben wir die Ökologin Katie Beidler kontaktiert, um mehr über ihre Forschung zur Pilznekromasse und ihre wichtigen Kohlenstoffspeichereigenschaften zu erfahren.
Will: Danke nochmal, dass Sie mit uns gesprochen haben, Katie! Wir freuen uns darauf, mehr über die verborgenen Beziehungen zwischen Pflanzen und Pilzen und deren Zusammenhang mit dem Klimawandel zu erfahren. Was hat Sie überhaupt dazu bewogen, mit Pilzen zu arbeiten?
Katie: Ich habe Pilze durch Pflanzen entdeckt. Nach dem Studium bekam ich einen Job in einem Labor, das Baumwurzeln untersuchte, und während meiner Arbeit grub ich die weißen oder gelben Fäden aus, die von den Wurzelspitzen in den umgebenden Boden wuchsen. Die Kiefernwurzeln, die ich untersuchte, bildeten Partnerschaften mit ektomykorrhizischen Pilzen, und diese Symbiose in Aktion zu sehen, weckte mein Interesse an Pilzen. In meiner Doktorarbeit untersuchte ich, wie diese mykorrhizischen Partnerschaften den Kohlenstoff- und Nährstoffkreislauf im Boden beeinflussen, hauptsächlich aus pflanzlicher Sicht. Jetzt bin ich in einem reinen Pilzlabor und arbeite als Postdoktorandin für Peter Kennedy (ein ausgebildeter Mykologe und bekannter Pilzfreund), wo ich die Mikroben untersuche, die von zerfallenden Pilzen leben. Ich schätze mich glücklich, in einem Labor für Pilzökologie gelandet zu sein, und je mehr ich lerne, desto mehr bin ich erstaunt, wie viel chemische und funktionelle Vielfalt in Pilzhyphen, diesen verborgenen Fäden, die Ökosysteme unterstützen, steckt.
Hyphen wachsen von mykorrhizierten Wurzelspitzen der Weihrauchkiefer (Pinus taeda)
„Böden sind wie ein Bankschließfach für Kohlenstoff. Böden speichern und setzen Kohlenstoff frei, und in gemäßigten Wäldern speichern oder binden sie derzeit mehr Kohlenstoff, als sie freisetzen.“
Will: Das ist verrückt! Ihre Karriere hat buchstäblich einen Pilzfaden von Bäumen über Pilze bis hin zu den Mikroben, die sich von ihren toten Körpern ernähren, verfolgt, alles im Boden unter unseren Füßen. Um das Ganze etwas zu erweitern, wie hängen diese Pilzfäden mit dem Klimawandel zusammen?
Katie: Das ist eine unbeholfene Analogie, aber Böden sind wie ein Bankschließfach für Kohlenstoff. Böden speichern und setzen Kohlenstoff frei, und in gemäßigten Wäldern speichern oder binden sie derzeit mehr Kohlenstoff, als sie freisetzen. Dies ist wichtig, da die Verbrennung fossiler Brennstoffe die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre über das hinaus erhöht hat, was von Pflanzen während der Photosynthese aufgenommen werden kann. Dieses Kohlenstoffungleichgewicht verschärft den natürlichen Treibhauseffekt und verursacht Veränderungen in Temperatur und Wetterbedingungen, die letztendlich zu einem größeren Kohlenstoffverlust aus den Böden führen könnten. Die Idee ist, dass Böden so bewirtschaftet oder geschützt werden können, dass sie mehr Kohlenstoff binden, was wiederum dazu beitragen kann, den Klimawandel zu mindern oder abzuschwächen.
Will: Wir denken nicht viel darüber nach, aber jeder unserer Ausatemzüge trägt zum planetarischen Kohlenstoffkreislauf bei, der durch die Luft, das Land und die Ozeane der Erde strömt. Der Großteil (85 %) des planetarischen Kohlenstoffs befindet sich im Ozean, während 2 % in der Luft und etwa 5 % im Land gespeichert sind. Welche Rolle spielen Pilze bei der Speicherung dieses landgebundenen Kohlenstoffs?
Katie: Pilzhyphen wachsen ausgiebig durch den Boden auf der Suche nach Ressourcen (Nahrung und Wasser). Wenn Hyphen absterben, werden sie in das Bodengefüge eingewoben und hinterlassen Kohlenstoff und Nährstoffe, die dann von anderen Bodenmikroorganismen recycelt werden können (mehr dazu weiter unten). Pilznekromasse bezieht sich auf diese abgestorbenen Pilzzellen oder -rückstände. Durch die Verfolgung des Schicksals von Pilzresten oder Nekromasse können wir etwas über die Nährstoffe lernen, die das Nahrungsnetz des Bodens aufrechterhalten, und über die Kohlenstoffformen, die in der Bodenumgebung verbleiben. Nicht aller Bodenkohlenstoff ist gleich geschaffen, und der Bodenkohlenstoff, der am langsamsten zirkuliert (oder über Jahrhunderte bis Jahrtausende bestehen bleiben kann), besteht aus abgestorbenen Mikroben (Nekromasse), die an Tone und andere Arten von Bodenmineralien gebunden sind. Wir wissen dies, weil Nekromasse auf Bodenmineraloberflächen sichtbar gemacht wurde und der an Mineralien gebundene Kohlenstoff chemisch dem von Mikrobenzellen ähnelt. Diese mikrobiell-mineralischen Wechselwirkungen schützen den Bodenkohlenstoff vor weiterer Zersetzung.
| Schlüsselwörter |
| Ektomykorrhizische Pilze: Eine symbiotische Vereinigung von Pilzen mit den Wurzeln höherer Pflanzen, bei der beide Partner gegenseitig profitieren. Bei dieser Partnerschaft wachsen die Pilze um die Außenseite der Pflanzenwurzeln herum und helfen der Pflanze, Wasser und Nährstoffe, insbesondere Phosphor, aus dem Boden aufzunehmen, im Gegenzug für Zucker, die während der Photosynthese produziert werden. |
| Pilzhyphen: die langen, verzweigten, fadenförmigen Strukturen, aus denen der vegetative Körper eines Pilzes besteht. |
| Treibhauseffekt: ein natürlicher Prozess, der die Erdoberfläche erwärmt, indem er Wärme von der Sonne in der Atmosphäre einschließt. |
Will: Okay, die Anwesenheit von abgestorbenen Bodenmikroben (Nekromasse) verlangsamt also den Zersetzungsprozess. Können Sie mehr über diese Organismen sagen? Ich glaube, Sie haben sie als Zersetzergemeinschaft bezeichnet?
Katie: Eine Zersetzergemeinschaft bezeichnet die Gruppe von Organismen, die ihre Energie aus dem Abbau von toten oder verrottenden Pflanzen-, Tier- und Mikrobenmaterial in einfachere Materialien gewinnen und so dazu beitragen, Nährstoffe in den Boden zurückzuführen. Beim Abbau organischer Substanz setzen Mikroorganismen Kohlendioxid frei und tragen so zum Kohlenstoffverlust im Boden bei. Das Wachstum und die Aktivität von Mikroorganismengemeinschaften können also bestimmen, wie viel Kohlenstoff im Boden gespeichert wird.
Will: Okay, ich glaube, jetzt verstehe ich es – die Zersetzung setzt Kohlendioxid in die Atmosphäre frei – als ob der Boden selbst ausatmet. Ist es also möglich, diese Zersetzung in den von Ihnen untersuchten Böden zu messen?
Rasterelektronenmikroskop (REM)-Bild von im Labor gezüchteter Pilznekromasse
Katie: Wie bereits erwähnt, sind Hyphen im Boden reichlich vorhanden, aber leider auch mikroskopisch klein und diffus. Um genügend Nekromasse zu erzeugen, um die Zersetzung zu messen, müssen wir Pilzbiomasse im Labor mit Methoden züchten, die von Chris Fernandez, dem ursprünglichen Kennedy-Labor-Nekromasser und jetzt Professor an der Syracuse University, entwickelt wurden. Einfach ausgedrückt, züchten wir Pilze in Flüssigkultur entweder in großen Chargen oder in vielen Glaskolben. Wir zerkleinern die Biomasse in Mörsern und Stößeln, gefriertrocknen sie und packen sie in Netze. Um die Zersetzung im Feld zu messen, vergraben wir die Netze mit der Nekromasse, sammeln die Netze zu verschiedenen Zeitpunkten ein und wiegen die Netze, um zu sehen, wie viel der ursprünglichen Nekromasse verloren ging oder zersetzt wurde. Wir können auch die Mikroben (sowohl Pilze als auch Bakterien) untersuchen, die auf der Nekromasse leben, und die verbleibende Nekromassechemie, um zu sehen, wie sie sich im Laufe der Zeit verändert.
Will: Das ist interessant! Sie vergleichen also das Gewicht der Nekromasse vor und nach, um die Zersetzung zu messen. Ich habe auch gelesen, dass Verbindungen wie Melanin die Zersetzungsrate beeinflussen können. Was ist Melanin und wie wichtig ist es für Ihre Arbeit?
Katie: Melanin ist ein Pigment, das in vielen verschiedenen Organismen vorkommt und eine Schutzfunktion bei Pilzen hat. Genau wie beim Menschen kann es Hyphen vor ultravioletter Strahlung schützen. Es ist normalerweise in Pilzzellwänden eingebettet und kann dazu beitragen, das Austreten von Wasser aus Hyphen zu verhindern oder das Eindringen von Krankheitserregern zu verhindern. Ich bin daran interessiert, wie Melanin die Zersetzung beeinflusst, denn wie Sie sich vorstellen können, machen die gleichen Eigenschaften, die Melanin schützend machen, es auch für andere Mikroben schwieriger, es abzubauen.
Will: Dass es für Mikroben schwieriger abbaubar ist, sollte sich doch auf die Zersetzungsraten auswirken, oder?
Katie: Tatsächlich haben wir festgestellt, dass Pilze mit mehr Melanin in ihren Zellwänden langsamer zerfallen.
Nekrobeutel (Netzbeutel mit fungaler Nekromasse) bereit zum Vergraben im Feld
„Ich interessiere mich dafür, wie Melanin die Zersetzung beeinflusst, denn, wie Sie sich vorstellen können, erschweren dieselben Eigenschaften, die Melanin schützend machen, auch anderen Mikroben den Abbau.“
Will: Okay, Melanin verlangsamt also die Zersetzung, was dazu beiträgt, Kohlenstoff länger im Boden zu speichern. Das hilft mir besser zu verstehen, wie Wälder besser bewirtschaftet werden könnten, um den Klimawandel abzumildern, da kürzlich geschätzt wurde, dass etwa 36 % der aktuellen jährlichen CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen in Mykorrhiza-Myzel gespeichert werden. In diesem Zusammenhang: Wir züchten bei North Spore eine Vielzahl von essbaren/medizinischen Pilzen wie Austernpilze, Shiitake und Löwenmähne. Woher stammt die Pilznekromasse, die Sie für Ihre Forschung züchten?
Katie: Ich arbeite hauptsächlich mit Mikropilzen, aber ich habe einmal erfolgreich einen Maitake-Pilz gezüchtet (vielen Dank an Lu Hook von @themycokid, die mir die Maitake-Kultur zur Verfügung gestellt hat). Die Nekromasse, die wir produzieren, stammt hauptsächlich von Hyaloscypha bicolor (früher Meliniomyces bicolor), einem Ascomyceten, der je nach Anbau sowohl melanisierte als auch nicht-melanisierte (hyaline) Hyphen bilden kann, daher der „bicolor“-Teil seines Namens. Das Foto des Kolbens unten zeigt diesen Prozess in Aktion. Wenn H. bicolor-Hyphen mehr Sauerstoff ausgesetzt werden, melanisieren sie schneller. Indem wir den Pilz in mehr oder weniger Medium tauchen oder ihn langsamer oder schneller schütteln, können wir melanisierte und nicht-melanisierte Versionen von H. bicolor-Nekromasse erzeugen (siehe auch Video der größeren Batch-Kultur, in der wir Sauerstoff einleiten).
Kolben mit Hyaloscypha bicolor Hyphen (melanisierte Hyphen oben und hyaline Hyphen unten).
Melanisierte Hyphen in Mörser und Stößel während der Nekromasseproduktion.
Kolben mit Hyaloscypha bicolor Hyphen (melanisierte Hyphen oben und hyaline Hyphen unten)
Melanisierte Hyphen in Mörser und Stößel während der Nekromasseproduktion
| Schlüsselwörter |
| Mikropilze: Eine Gruppe von Pilzen und pilzähnlichen Organismen, die mikroskopische Fruchtkörper bilden und Schimmelpilze, Mehltau und Rostpilze umfassen. |
| Ascomycet: eine der größten Gruppen von Pilzen, die sexuelle Sporen in sackartigen Strukturen, sogenannten Asci, bilden. Diese Gruppe umfasst Hefen, die beim Backen, Brauen und bei der Weinherstellung verwendet werden, sowie Delikatessen wie Trüffel und Morcheln. |
| Myzenoide Pilze: früher in der Gattung „Mycena“ zusammengefasst, sind diese extrem kleinen Pilze saprotroph, was bedeutet, dass sie totes oder absterbendes organisches Material verzehren und selten mehr als ein paar Zentimeter breit sind. |
Neben dem Anbau von Pilzen für die Nekromasseproduktion halten wir auch Pilzkulturen, um zu messen, wie verschiedene Pilzarten (allein und in Kombination) die Zersetzung beeinflussen. Zum Glück für mich hat der frühere Postdoc im Labor, François Maillard, ein weiterer fantastischer Pilzwissenschaftler, Pilzarten isoliert, die auf Nekromasse wuchsen, die in einem Kiefernwald vergraben war. Einige der Pilzgattungen, die ich aus dieser Kultursammlung züchte, sind: Chaetomium, Metarhizium, Mortierella, Phialocephala und Trichoderma.
Will: Es überraschte mich zu lesen, dass Trichoderma, obwohl für Indoor-Pilzzüchter ein Albtraum, für Pflanzen recht nützlich ist; es fördert das Wachstum, induziert Abwehrreaktionen und wirkt als natürliche Biokontrolle gegen Pflanzenpathogene. Welche Aspekte Ihrer Arbeit haben Sie überrascht oder herausgefordert?
Katie: Ein Aspekt meiner Arbeit, der überraschend herausfordernd ist, ist die Arbeit in der undurchsichtigen und sehr variablen Untergrundwelt! Böden sind heterogene Mischungen aus lebenden und toten Dingen, die mehrere wissenschaftliche Disziplinen (Chemie, Biologie, Geologie und Hydrologie) umfassen und Prozesse enthalten, die sowohl über kurze als auch über lange Zeiträume (Minuten bis Jahrtausende) ablaufen.
Metarhizium-Kultur
Zu verstehen, was Mikroben in ihrem kleinen Maßstab tun (siehe REM-Bild unten) und wie dies den Kohlenstoffkreislauf auf der Ebene des größeren Ökosystems beeinflusst, ist schwierig, und wir sind noch dabei, gute Methoden zu entwickeln, um all diese Variabilität zu berücksichtigen. Neben meiner Arbeit unter der Erde hatte ich eine wunderbare und sehr sachkundige Mykologie-Mentorin, Anna Gerenday, die mir beibringt, wie man Pilze identifiziert und Pilzproben für Herbarien vorbereitet.
REM-Bild von Bodenmineralien und Pilzhyphen – komplexe Mischungen auf kleinsten Skalen
Die Arbeit mit Anna hat mich gelehrt, wie schwierig es ist, die meisten Pilze bis auf Artebene zu identifizieren und dass wir uns immer noch sehr stark in einer Beobachtungs- und Organisationsphase der Pilztaxonomie befinden. Das hat mich aus der Pflanzenwelt kommend etwas überrascht.
Will: Was Sie gerade über die Beobachtungs- und Organisationsphase der Wissenschaft gesagt haben, erinnert mich daran, warum wir von geschätzten 2 bis 4 Millionen Arten insgesamt nur etwa 150.000 Pilze identifiziert haben! Ich stelle mir vor, dass Ihr Team in Zukunft neue Zersetzungspilze entdecken wird. Welche Fragen möchten Sie im Laufe Ihrer Karriere, in der Sie diese Mikroben untersuchen, versuchen zu beantworten?
Katie: Ich interessiere mich zunehmend für reichsübergreifende Interaktionen. Vor Kurzem haben wir begonnen, mit einer fantastischen Viren-Ökologin, Joanne Emmerson, zusammenzuarbeiten, und obwohl wir noch am Anfang dieser Arbeit stehen, interessiert uns die Rolle, die Viren bei der Nekromassezersetzung spielen könnten, durch ihre Auswirkungen auf bakterielle oder pilzliche Zersetzer. Außerdem möchte ich in Zukunft zu meinen Wurzeln zurückkehren und mehr im Bereich der Rhizosphäre (oder des direkt die Wurzel umgebenden Bodens) arbeiten, um zu untersuchen, wie Wurzelaktivitäten die Zersetzergemeinschaften prägen.
Will: Ich kann mir die Anzahl und Vielfalt der Viren da draußen nicht einmal vorstellen, aber die Wissenschaft führt oft zu mehr Fragen als Antworten. So sind wir bei meiner letzten und liebsten Frage angelangt: Wenn du ein Pilz wärst, welche Art wärst du und warum?
Katie: Hmm, das ist eine gute Frage… Ich weiß nicht genau warum, aber ich fühle mich zu Mycenoid-Pilzen hingezogen. Ich finde ihre Pilze charmant und es wäre lustig, einer dieser kleinen Saprobionten an der Front der Zersetzung zu sein. Entweder das, oder ich wäre gerne ein nematophager Pilz, der Nematoden einfängt, bevor sie Pflanzen parasitieren. Ich mag einfach all die kleinen Dinge.
Will: Ich glaube, es sind die kleinen Dinge, die die größte Wirkung erzielen! Nochmals vielen Dank für deine wichtige Arbeit! Ich weiß es zu schätzen, dass du dir heute die Zeit genommen hast, mit uns zu sprechen.
Katie: Absolut! Danke, dass du mir diese Gelegenheit gibst, meine Arbeit zu teilen, es hat mir Spaß gemacht, deine Fragen zu beantworten.
Anna Gerenday, Katie und Katies Sohn Morris auf Pilzjagd