Mikroben im Mikrobiom der Traubeneiche (Quercus petraea) helfen Eichen bei Dürre und Klimawandel

Eichen können mehrere Jahrhunderte alt werden – doch der Klimawandel setzt ihnen in deutlich kürzerer Zeit mit Dürre, ausgelaugten Böden und Krankheiten zu. Forschende gehen inzwischen davon aus, dass winzige Mikroben, die auf und in Eichen leben, den Bäumen dabei helfen könnten, solchen Belastungen besser standzuhalten.

Im Zentrum einer aktuellen Waldstudie stand die Traubeneiche (Quercus petraea). Die Auswertung zeigt: Mikrobengemeinschaften, die mit Blättern, Stämmen und Wurzeln verbunden sind, bleiben selbst unter starkem Umweltdruck überraschend stabil.

Mikroben, die in Eichen leben

Jede Eiche beherbergt Millionen von Bakterien und Pilzen. Dabei besitzt jeder Pflanzenteil seine eigene, charakteristische Zusammensetzung. Blätter, inneres Rindengewebe sowie die Wurzeln mitsamt der angrenzenden Erde tragen jeweils klar unterscheidbare mikrobielle Gemeinschaften.

In den Blättern dominieren Bakterien aus der Gruppe der Proteobacteria. Im Stamm findet sich eine Mischung aus Proteobacteria und Actinobacteriota. In den Wurzelbereichen zeigt sich hingegen ein anderes Bild: Dort überwiegen Actinobacteriota.

Auch Pilze unterscheiden sich je nach Gewebe. In Blättern und Stämmen kommen vor allem Ascomycota vor. In den Wurzelzonen treten dagegen häufiger Basidiomycota auf. Viele der Pilze im Wurzelbereich gehen ektomykorrhizische Partnerschaften ein – Verbindungen, die Bäumen helfen, Nährstoffe und Wasser aus dem Boden aufzunehmen.

Einige Bakterienfamilien könnten dabei besonders wichtig sein. Beijerinckiaceae werden häufig in Blättern und Stämmen nachgewiesen. Zu dieser Gruppe gehören Arten, die Stickstoff binden können – das könnte Blattwachstum und Stoffwechselprozesse unterstützen.

In Wurzelbereichen gedeihen Acidothermaceae besonders gut in sauren Böden und tragen dazu bei, organisches Material zu zersetzen. Da Eichenwurzeln oft unter sauren Bedingungen wachsen, könnten solche Mikroben den Nährstoffkreislauf verbessern.

Bäume unter Stress im Versuch

Untersucht wurden 144 Eichen in einem Waldgebiet in Norfolk im Vereinigten Königreich. Die Bäume waren jeweils etwa 35 bis 40 Jahre alt. Um Belastungssituationen nachzustellen, setzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler drei unterschiedliche Stressoren ein.

Regendächer verringerten die Bodenfeuchte, um Dürre zu simulieren. Eine Ringelung unterbrach den Nährstofftransport, indem ein schmaler Streifen Rinde entfernt wurde. Ausserdem wurden bei einigen Bäumen Bakterien sowie Käferlarven eingebracht, die mit dem akuten Eichensterben (AOD) in Verbindung stehen.

Messungen mit Bodenfeuchtesonden bestätigten deutliche Dürreeffekte. In manchen Zeiträumen sank der Wassergehalt im Boden unter den Regendächern um mehr als die Hälfte. Gleichzeitig nahm auch die Stammfeuchte ab – ein Hinweis auf echten physiologischen Stress.

Trotz dieser messbaren körperlichen Veränderungen blieben die mikrobiellen Gemeinschaften insgesamt weitgehend konstant.

Warum Stabilität wichtig ist

Bei älteren Bäumen zeigt sich häufig ein besonders stabiles Mikrobiom. Langlebige Pflanzen können über lange Zeiträume hinweg feste Partnerschaften aufbauen. Die Daten zeigten, dass sich die mikrobielle Vielfalt nach Dürre oder Ringelung kaum veränderte.

Selbst Eichen, die frühe Anzeichen des akuten Eichensterbens zeigten, wiesen in gesundem Gewebe keine ausgeprägte Störung ihres Mikrobioms auf.

„Da Umweltstressoren zunehmen, ist eines der wichtigsten Anpassungsmerkmale von Bäumen ihr Mikrobiom“, sagte der leitende Autor der Studie James McDonald von der Universität Birmingham.

„Wenn wir ein stärker mechanistisches Verständnis dafür bekommen, wie Wirt-Mikroben-Interaktionen Bäumen helfen, Dürre zu bewältigen und zu tolerieren, könnte das die Möglichkeit eröffnen, die Toleranz zu verbessern – zum Beispiel, indem man Bäume mit nützlichen Mikroben inokuliert.“

„Der Klimawandel schreitet wirklich sehr schnell voran, aber Bäume sind langlebige, sessile Organismen, die sehr lange brauchen, um sich an Veränderungen anzupassen, und viele unserer Bäume sind schlecht darauf vorbereitet“, ergänzte Sandra Denman von der Forstforschung, der Forstkommission des Vereinigten Königreichs.

Dürre verändert Wurzelmikroben

Obwohl die meisten Mikroben-Gruppen stabil blieben, führte lang anhaltende Trockenheit zu feinen Verschiebungen in den Wurzelbereichen. Nach einer längeren Phase ohne Niederschlag nahmen Actinobacteriota an den Wurzeln zu.

Actinobacteriota treten häufig in trockenen Böden auf. Vertreter dieser Gruppe besitzen dicke Zellwände und können Sporen bilden – Eigenschaften, die das Überleben unter harten Bedingungen erleichtern. In der Agrarforschung wird diese Gruppe zudem mit einer höheren Dürreresistenz in Verbindung gebracht.

Weitere Bakteriengruppen, darunter Acidobacteriota, legten während der Dürre ebenfalls in den Wurzelzonen zu. Einige Arten erzeugen klebrige Substanzen, die dem Boden helfen, Wasser zu halten, und die Bindung an die Wurzeln unterstützen.

Auf Ebene der Gattungen förderte die Trockenheit unter anderem Nocardia, Actinomycetospora, Acidothermus und Acidocella.

Viele dieser Bakterien besitzen pflanzenwachstumsfördernde Eigenschaften. Einige erschliessen oder zersetzen Nährstoffe, andere bilden Hormone wie Indol-3-Essigsäure, die das Wurzelwachstum unterstützt.

Pilze reagieren auf Trockenheit

Auch die pilzlichen Partner verschoben sich. In dürrebelasteten Wurzeln nahmen Penicillium und Aureobasidium zu. Beide Gruppen umfassen Arten, die dafür bekannt sind, das Pflanzenwachstum zu fördern.

„Selbst als die Bäume physiologische Veränderungen zeigten und der Boden deutlich trockener wurde, blieb ihr Mikrobiom ziemlich stabil“, sagte Erstautor Usman Hussain von der Universität Bangor und der Universität des Westens Englands (UWE).

„Das unterstreicht eine mögliche Rolle der mit Eichen assoziierten mikrobiellen Gemeinschaften bei der Aufrechterhaltung der Stabilität von Waldökosystemen.“

Eichen-Stamm-Mikroben unter Belastung

Im Stamm reagierten Mikroben deutlicher als in den Blättern. Unter Dürre oder Ringelung nahmen bestimmte Pilzgattungen zu, die mit Fäulnis oder Krankheiten in Zusammenhang stehen. Gleichzeitig gingen einige nützliche Endophyten zurück.

Diese Muster deuten darauf hin, dass anhaltender Stress die inneren Abwehrmechanismen in verholzten Geweben schwächen könnte. Trotzdem brach die Gesamtstruktur der Mikroben-Gemeinschaft nicht zusammen.

Eichen im mittleren Alter tragen komplexe, gewebespezifische mikrobielle Netzwerke in sich, die grösseren Störungen standhalten. Eine lange Dürrephase verursachte kleine, aber bedeutsame Veränderungen – besonders in den Wurzelzonen.

Künftige Forschung soll molekulare Signale untersuchen, die die Rekrutierung hilfreicher Mikroben steuern. Ausserdem ist geplant, Bäume unterschiedlichen Alters und aus verschiedenen Regionen miteinander zu vergleichen.

Wälder speichern Kohlenstoff und fördern die Biodiversität. Stabile mikrobielle Partner könnten Eichen helfen, Klimastress zu überstehen und ihre zentrale Rolle in Ökosystemen noch über Jahrzehnte hinweg zu erfüllen.