|
Erbgut neuartiger Methanproduzenten entschlüsselt
Max-Planck-Forscher enthüllen Überlebensstrategie jener Mikroorganismen, die weltweit für die Methan-Emission aus Reisfeldern verantwortlich sind
 Etwa 10 bis 25 Prozent der weltweiten Methan-Emissionen kommt aus gefluteten Reisfeldern. Das Treibhausgas
wird von verschiedenen Gruppen von Mikroorganismen (methanogenen Archaea) produziert, für die Luftsauerstoff
lebensfeindlich ist. Im Wurzelraum der Reispflanzen wurden erst kürzlich die so genannten Rice Cluster I
(RC-I) Archaea als die Hauptproduzenten von Methan identifiziert. Die Mechanismen, die diesen Archaea einen
Wettbewerbsvorteil verleihen, blieben jedoch ungeklärt, weil auch keine Reinkultur verfügbar war.
Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und für molekulare
Genetik in Berlin haben jetzt das vollständige Genom eines RC-I-Archaeons aus einer Methan produzierenden
mikrobiellen Mischkultur rekonstruiert. Aus der Genomsequenz leiteten die Forscher mehrere enzymatische
Mechanismen ab, welche bei methanogenen Archaea bisher unbekannt waren, und mit deren Hilfe es den
RC-I-Archaea gelingt, in Gegenwart von Sauerstoff zu überleben. Bei diesen Mechanismen handelt es sich um
eine spezifische Anpassung an den sauerstoffhaltigen Wurzelraum der Reispflanzen. Ihr Nachweis erklärt
jetzt, warum RC-I-Archaea an diesem Standort einen selektiven Überlebensvorteil haben (Science, 21. Juli
2006).
- Abbildung
- Mischkultur, aus der das vollständige Genom eines Methan produzierenden RC-I-Archaeons mittels molekularbiologischer Methoden rekonstruiert wurde. Die verschiedenen Mitglieder der Mischkultur wurden durch Hybridisierung mit spezifischen Sonden für RC-I-Archaea (rötlich fluoreszierende Zellen) und für Bakterien (grünlich fluoreszierende Zellen) nachgewiesen. Der Maßstab entspricht 10 Mikrometer (Bild: Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie).
Methan ist nach Kohlendioxid das Treibhausgas mit dem größten Einfluss auf das globale Klima. Seine
Entstehung und Freisetzung erfolgt in geologischen und biologischen Vorgängen. Der bedeutendste biologische
Prozess der Methanproduktion, die Methanogenese, ist gleichzeitig Energiestoffwechsel von Mikroorganismen,
den so genannten methanogenen Archaea. Sie bilden Methan, indem sie entweder Acetat zu Methan und
Kohlendioxid spalten oder Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Methan reduzieren.
Eine wichtige Quelle für atmosphärisches Methan sind Reisfelder, wo es im Boden und im Wurzelraum der
Reispflanzen gebildet wird. Emittiert wird das Methan über ein spezielles Gewebe der Reispflanze, das
Aerenchym. Lange Zeit blieb unbekannt, welche Mikroorganismen nun tatsächlich für die Methanproduktion im
Wurzelraum der Reispflanze verantwortlich sind. Marburger Max-Planck-Forscher konnten erst kürzlich zeigen,
dass es sich dabei um methanogene Archaea des so genannten Rice Cluster I (RC-I) handelt. Sie scheinen für
die weltweite Methan-Emission aus Reisfeldern hauptverantwortlich zu sein [1].
Im Gegensatz zu anderen gut charakterisierten Gruppen unter den methanogenen Archaea, wie den
Methanosarcinales und Methanobacteriales, sind für RC-I-Archaea bisher keine isolierten Vertreter (als
Reinkulturen) verfügbar. Daher war bisher über ihre physiologischen Fähigkeiten und ihre
Anpassungsstrategien wenig bekannt. Ein Versuch zur Isolierung von RC-I-Archaeen aus Reisfeldboden führte zu
einer mikrobiellen Mischkultur (MRE50), in welcher RC-I-Archaea immerhin einen Anteil von 50 bis 60 Prozent
ausmachen. Die anderen Mitglieder dieser Mischkultur sind ausschließlich Mitglieder der Domäne Bacteria
(siehe Abb.).
In der aktuellen Studie haben nun die Max-Planck-Forscher aus Marburg und Berlin die vollständige
Genomsequenz eines häufig in der Mischkultur MRE50 vertretenen RC-I-Archaeons aufgeklärt. In der Regel ist
eine Reinkultur und damit ein homogener Bestand an Erbinformation der Ausgangspunkt für die Analyse eines
vollständigen mikrobiellen Genoms. Da aber im Fall der RC-I-Archaea keine Reinkultur zur Verfügung stand,
diente die gesamte Erbinformation der Mischkultur MRE50 als Ausgangspunkt für die Entschlüsselung des
vollständigen RC-I-Genoms. Die heterogene, von verschiedenen Mikroorganismen stammende Erbinformation aus
der Mischkultur bezeichnet man auch als Metagenom. Eine besondere analytische Herausforderung war es daher
das vollständige, homogene Erbgut eines definierten RC-I-Archaeons aus diesem Metagenom herauszufiltern.
Dies gelang den Forschern durch erhöhten Sequenzieraufwand und den Einsatz spezifischer Methoden der
bioinformatischen Auswertung.
Danach besteht das Genom des RC-I-Archaeons aus 3,2 Millionen Basenpaaren und kodiert für 3.103 Proteine.
Unter anderem konnten die Proteine dem methanogenen Stoffwechsel zugeordnet werden, bei dem Methan
ausschließlich durch die Reduktion von Kohlendioxid mit Wasserstoff erzeugt wird. Enzyme für die Verwertung
alternativer methanogener Nährstoffe werden vom RC-I-Genom nicht kodiert. Das RC-I-Archaeon ist daher als
obligat Wasserstoff verwertend (hydrogenotroph) zu bezeichnen. Acetat kann aber als Kohlenstoff-Quelle zur
Synthese von Zellkomponenten assimiliert werden.
Methanogene Archaea können Methan und damit einhergehend Lebensenergie nur unter strikter Abwesenheit von
Sauerstoff produzieren. Die Gegenwart von Sauerstoff ist daher normalerweise extrem lebensfeindlich.
Letzteres gilt jedoch nicht für RC-I-Archaea. Das RC-I-Genom kodiert für enzymatische Mechanismen, welche
für methanogene Archaea bisher einzigartig sind und ihnen ein Überleben in sauerstoffhaltiger Umgebung
ermöglichen. Zu diesen Mechanismen zählt ein umfassendes Besteck an Enzymen, welche hochreaktive
Sauerstoffverbindungen, wie etwa das Superoxid-Anion oder Wasserstoffperoxid, schnell entgiften. Diese
Verbindungen sind extrem toxisch für lebende Zellen. In Gegenwart von Luftsauerstoff scheinen RC-I-Archaea
schnell auf einen Gärungsstoffwechsel umzuschalten, durch den aus Kohlenhydraten genügend Energie zur
Lebenserhaltung gewonnen wird. Diese Fähigkeiten sind spezifische Anpassungen an das Leben im Wurzelraum der
Reispflanze. Das Aerenchym der Reispflanzen erlaubt nicht nur die Emission von Methan, sondern auch die
Diffusion von Luftsauerstoff in den Wurzelraum, so dass sich dort sauerstofffreie und sauerstoffhaltige
Situationen schnell abwechseln können. Weitere spezifische Anpassungen des RC-I-Archaeons an diesen
Lebensraum sind seine alternativen Fähigkeiten zur Assimilation von Stickstoff und die vermutliche
Fähigkeit, Sulfat als Schwefelquelle nutzen zu können.
Die Fähigkeit der RC-I-Archaea die Gegenwart von Luftsauerstoff zu tolerieren, scheint dieser
Organismengruppe nicht nur im Reisfeldboden einen Überlebensvorteil zu bieten. So wurden RC-I-Archaea durch
kultivierungsunabhängige Untersuchungen vor allem in jenen Methan produzierenden Ökosystemen nachgewiesen,
wo sich sauerstofffreie und sauerstoffhaltige Bedingungen abwechseln. Neben Reisfeldern sind dies tropische
Böden, Moorgebiete der borealen Zone und auch periodisch geflutete Uferbereiche.
Das entschlüsselte RC-I-Genom bietet nun die Basis, um molekularbiologische Methoden für das Monitoring der
Aktivität von RC-I-Archaeen in ihren natürlichen Standorten zu entwickeln. Inwieweit es langfristig möglich
sein wird, die Methan-Produktion der RC-I-Archaea gezielt zu reduzieren und damit die Methan-Emission aus
Reisfeldern und anderen Standorten zu reduzieren, kann jedoch zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht
prognostiziert werden.
Das Projekt wurde durch die Max-Planck-Gesellschaft und das Bundesministerium für Bildung und Forschung
(BMBF) unterstützt.
Originalveröffentlichung:
Christoph Erkel, Michael Kube, Richard Reinhardt, Werner Liesack. Genome of Rice Cluster I Archaea - the Key
Methane Producers in the Rice Rhizosphere. Science 313: 370-372 (2006)
Weitere Informationen:
Dr. Michael Kube
Max Planck Institute
for Molecular Genetics, Berlin
Tel.: 030 8413-1563
kube@molgen.mpg.de
Dr. Richard Reinhardt
Max Planck Institute
for Molecular Genetics, Berlin
Tel.: 030 8413-1226
reinhardt@molgen.mpg.de
Dr. Christoph Erkel
Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology, Marburg
Tel.: 06421 178-722
erkel@staff.uni-marburg.de
Dr. Werner Liesack
Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology, Marburg
Tel.: 06421 178-720
Liesack@mpi-marburg.mpg.de
|
