U heeft het waarschijnlijk al eens geroken, die typische aardse geur die in de lucht hangt na een zomerse regenbui. Deze geur wordt petrichor genoemd, waarbij het woord petrichor een samenstelling is van de griekse woorden ‘petros’, wat rots of steen betekent, en ‘ichor’, het bloed van de goden. Petrichor bestaat voornamelijk uit geosmine, een vluchtige organische verbinding geproduceerd door bodembacteriën. Geosmine geeft ook rode biet zijn typische aardse smaak. De menselijke neus is heel gevoelig voor geosmine. Zo volstaat minder dan 1 ppb  (één deeltje per miljard) al om de geur op te pikken. Ter vergelijking: een haai ruikt bloed vanaf 1 ppm (één deeltje per miljoen). 

Wetenschappers weten al sinds de jaren ‘60 van vorige eeuw van het bestaan van geosmine. Toch was het lang niet duidelijk welke rol dit molecule speelt in het ecosysteem van de bodem. Waarom produceren bodembacteriën geosmine? Een team van Zweedse en Britse onderzoekers zocht het uit. Volgens hun studie, die gepubliceerd werd in Nature Microbiology, speelt geosmine een belangrijke rol in de wederzijds voordelige relatie tussen Streptomyces bodembacteriën en springstaarten, primitieve insect-achtige organismen.

Streptomyceten zijn de voornaamste producenten van geosmine. Deze bacteriën zijn in grote aantallen aanwezig in de bodem en bijna alle onderzochte Streptomyces isolaten bezitten het gen noodzakelijk voor de aanmaak van deze vluchtige stof. Dit wijst erop dat geosmine een belangrijke functie vervult voor de bacteriën. Het onderzoeksteam vermoedde dan ook dat het molecule een rol speelt in de chemische communicatie met andere dieren of insecten.

Om deze hypothese te testen werd onderzocht of de geur van Streptomyces bacteriën andere bodemorganismen lokt. De onderzoekers zetten hiervoor een netwerk van vallen met Streptomyces kolonies op en vergeleken de vangst met vallen die controle substanties bevatten. Verschillende bodemorganismen zoals mieren en spinnen werden teruggevonden, maar verbazingwekkend genoeg waren het springstaarten, primitieve zespotige organismen, die een opvallende aantrekking vertoonden tot de geosmine-producerende Streptomyces kolonies.

Vervolgens onderzocht het team welke vluchtige organische stoffen waargenomen kunnen worden door springstaarten. Ze plaatsten kleine elektrodes op de antennes van de springstaarten en stelden hen vervolgens bloot aan een reeks geuren. Enkel bij blootstelling aan geosmine, verwante moleculen en 2‑methylisoborneol (2-MIB) - een andere vluchtige component met aardegeur - werden pieken in elektrische activiteit gedetecteerd. Dit duidt op een zintuigelijke reactie op de chemicaliën.

Een bijkomend experiment, waarin de verplaatsing van springstaarten in Y-vormige tubes werd bestudeerd, bevestigde de aantrekking van springstaarten tot de aardse geuren. De insect-achtige organismen vertoonden een duidelijke voorkeur voor de arm die naar geosmine en 2-MIB rook. Dit gedrag is kenmerkend voor een predator-prooi interactie waarbij de springstaarten chemische signalen gebruiken om hun voedingsbron te lokaliseren. Uit bijkomend onderzoek bleek dat springstaarten zich inderdaad voeden met Streptomyces kolonies. Hun overleving werd daarbij niet negatief beïnvloed door toxische bacteriële stoffen. Springstaarten worden in de bodem voortdurend blootgesteld aan toxische verbindingen en hebben als antwoord daarop verschillende beschermingsmechanismen ontwikkeld. Deze eigenschap geeft hen dus toegang tot een bevoorrechte voedingsbron.

Maar waarom zouden Streptomyces bacteriën geosmine produceren als ze hierdoor worden opgegeten door springstaarten? Om een antwoord te vinden op deze vraag, bestudeerden de onderzoekers de expressie van geosmine-producerende genen tijdens de bacteriële ontwikkelingscyclus. Streptomyces bacteriën groeien vegetatief in een mycelium, een netwerk van langwerpige cellen dat verweven is met bodempartikels. Bij een tekort aan voedingsstoffen, of wanneer de bodemcondities verslechteren, begint het mycelium sporen te vormen, een soort slaaptoestand om de ongunstige omstandigheden te overleven. Deze droogte-resistente sporen worden door wind en water verspreid. Zodra een spore terecht komt in een omgeving met gunstige condities ontkiemt hij waarna de bacteriële groei hernomen wordt.

Genetisch onderzoek met Streptomyces mutanten onthulde dat geosmine en 2-MIB tijdens sporulatie geproduceerd worden. Deze bevinding wijst erop dat springstaarten een belangrijk verspreidingskanaal voor de sporen zijn.

Wanneer springstaarten zich voeden met Streptomyces kolonies worden de sporen niet verteerd maar uitgescheiden in de uitwerpselen. De onderzoekers stelden vast dat deze sporen nog konden uitgroeien tot nieuwe bacteriële kolonies. Deze manier van verspreiding is dus te vergelijken met vogels die fruit eten en nadien de onverteerde zaden uitwerpen.

Naast de verspreiding van sporen via de uitwerpselen, onthulde de studie nog een tweede verspreidingsroute. Op microscopische afbeeldingen was te zien dat de sporen blijven kleven aan de cuticula, het buitenoppervlak van springstaarten. De cuticula is niet-klevend en waterafstotend, waardoor bacteriën er niet aan blijven plakken. Streptomyces sporen daarentegen hebben zelf een waterafstotende laag en blijven wel kleven. Deze route is dan ook te vergelijken met de bestuiving van planten door bijen. Wanneer een bij een bloem bezoekt, blijven er pollen aan zijn lijfje hangen. Die neemt hij vervolgens mee naar andere bloemen in zijn zoektocht naar nectar.

De volgende keer dat u een boswandeling maakt of in de tuin aan het graven bent en u deze geur opmerkt, sta dan even stil bij de fascinerende Streptomyces bacteriën die in de grond onder u floreren. U bent dan immers getuige van een 450 miljoen jaar oude vorm van communicatie tussen bacteriën en springstaarten.

Becher. P. G. et al. Developmentally regulated volatiles geosmin and 2-methylisoborneol attract a soil arthropod to Streptomyces bacteria promoting spore dispersal, Nature Microbiology, 2020, 5(6):821-829.