A2.1 Rhizosphäre: Nitrifikaten-Denitrifikanten [funded by LOEWE]
PI(s) for this project:
Prof Christoph Müller
Sylvia Schnell
Werner Liesack
Abstract:
Erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen führen zu gesteigertem oberirdisch¬em Pflanzenwachstum, vermehrter Produktion von Feinwurzeln und veränderten C- und N-Flüssen in Böden und Bodenaggregaten. Effekte auf die phylogenetische und funk¬tionelle Diversität der mit Pflanzen assoziierten Bodenmikroorganismen wurden wiederholt doku¬mentiert, aber die Ergebnisse dieser Studien sind zum Teil widersprüchlich. Verant¬wortlich hierfür sind tatsächliche standortspezifische Unterschiede, aber auch das unterschiedliche Auflös-ungsvermögen der angewandten Methoden. Zudem können verschiedene Umweltfaktoren, wie z.B. erhöhtes CO2, erhöhte Lufttemperatur und vermehrte Niederschläge, zu kombinierten Effekten führen.
Die Komplexität und die mangelnde Kultivierbarkeit der Mikrobiota in Böden machen es zwingend erforderlich, dass Diversitätsanalysen kultivierungsunabhängig durchzuführen sind. Aus heutiger Sicht ist für solche Analysen eine Kombination aus molekularem Fingerprinting und massiv-paralleler Sequenzierung zu favorisieren. So sind aufgrund fehlender molekularbiolog¬ischer Analysen die Ergebnisse zur Wirkung von moderat erhöhten CO2-Konzen¬trationen auf die Bodenmikroorganismen am Gießener Standort (Dauergrünland) nur bedingt aussagekräftig. Nichtsdestotrotz sei erwähnt, dass diese Studie erhebliche positive Effekte auf die bakterielle Biomasse, nicht aber auf die der Pilze, prognostizierte. Zu möglichen Effekten auf die Mikrobiota in Böden von Weinreben und Gemüsekulturen existieren bisher keine Ergebnisse. Veränderungen in der mikrobiellen Diversität haben Einfluss auf die C- und N-Stoffflüsse und somit auch auf die THG-Emissionen (siehe AP A1).
Description:
Wissenschaftliche Ziele:
1. Untersuchung der Effekte von Veränderungen klimarelevanter Faktoren [CO2-Konzentration (Core-Experimente I und II) und der Lufttemperatur (Core-Experiment I)] auf die phylo-genetische und funktionelle Diversität und auf die Aktivität der Mikrobiota in Böden von Dauergrünland, Weinreben und ausgewählten Gemüsekulturen.
2. Quantifizierung des Einflusses von erhöhtem CO2 und erhöhter Temperatur auf die Dynamiken von C- und N-Pools im Boden und in der Bodenaggregatstruktur (Core-Experiment I).
Arbeitsplan:
Die experimentelle Strategie muss sensitiv genug sein, um mögliche Effekte von erhöhtem CO2 und erhöhter Temperatur auf die Boden-Mikrobiota hochauflösend darzustellen. PCR-unabhängige RiboTag-Analysen aus Boden extrahierter Gesamt-RNA spiegeln Ver-änderungen sowohl in der Zusammensetzung als auch in der relativen Aktivität und Dynamik der mikrobiellen Lebensgemeinschaft wider. Diese Methode sollte daher die höchste Auflösung bieten. Pro- und eukaryotische Komponenten der Mikrobiota werden entsprechend ihrer jeweiligen relativen Abundanz dokumentiert. Die RiboTag-Analysen werden durch die ultratiefe Sequenzierung von PCR-Produkten des 16S rRNA-Gens (Bacteria, Archaea) und der pilzlichen ribosomalen ITS-1 Region (vgl. AP2.2) ergänzt.
Die Diversität funktioneller Gilden wird primär mittels T-RFLP-Fingerprinting untersucht. Weisen die Ergebnisse einzelner T-RFLP-Analysen auf mögliche Effekte hin, werden aus denselben DNA-Extrakten PCR-Produkte des betreffenden Markergens generiert und mittels 454-Pyrosequenzierung analysiert. Für die Analyse definierter funktioneller Gilden stehen folgende Markergene zur Verfügung: mcrA (Methanogene), pmoA (Methanotrophe), cbbl (Autotrophe), amoA (Nitrifikanten), nirK/nirS/nosZ (Denitrifikanten) und nifH (Stickstofffixierer). Die Diversitäts-analysen funktioneller Gilden des Stickstoffkreislaufs werden in Kooperation mit dem assoziierten DFG-Projekt 15N-FACE (MU1302/6-1) durchgeführt.
Die Probennahmen werden mit dem Teilprojekt AP2.2 koordiniert. Von jedem FACE-Experiment (Core-Experimente I, II) werden zu zwei ausgewählten Zeitpunkten einer Wachstumsphase in zwei aufeinander folgenden Projektjahren Proben genommen. Bei jeder der vier Probennahmen werden aus jedem einzelnen FACE-Ring fünf Einzelproben entnommen und vor simultaner Extraktion der DNA und RNA zu einer Gesamtprobe vereinigt. Kernmethode, welche über alle FACE-Experimente hinweg angewandt wird, ist die RiboTag-Analyse. Die Sequenzierung von PCR-Produkten weiterer Marker wird entsprechend der oben formulierten Strategie selektiv durch-geführt. Pro Marker und Behandlungsvariante wird für jede der vier Probennahmen eine Sequenziertiefe von ca. 20.000 454-Reads angestrebt. Die Sequenzdatensätze werden vergleichend analysiert, um den Einfluss definierter Faktoren (Zeit, Behandlungsvariante) auf die Diversität und Dynamik (RiboTag) der untersuchten Boden-Mikrobiota darzustellen. Ferner werden die hier erzielten Ergebnisse auf mögliche Korrelationen mit anderen im Rahmen des Gesamtprojekts erhobenen Datensätzen überprüft.
Wir erwarten unter erhöhtem CO2 und erhöhter Temperatur Veränderungen in der Zusammensetzung und Aktivität der Boden-Mikrobiota. Der dadurch bedingte Effekt auf die C- und N-Dynamiken, welche in Verbindung mit den THG-Emissionen stehen (AP A1), werden an Boden-proben analysiert, die parallel zu solchen für die molekularbiologische Analyse entnommen wurden. Es werden mineralische und organische C- und N-Verbindungen (NO3- NH4+ DON, DOC, mikrobielle Biomasse) im Gesamtboden und in Bodenaggregaten bestimmt. Die gleichen Proben werden auch hinsichtlich der mikrobiellen Aktivität untersucht, wobei insbesondere diejenigen Stoffumsetzungen (Methanogenese, Methanoxidation, CO2-Fixierung, Nitrifikation, Denitrifikation und Stickstofffixierung) gemessen werden, für die auch Analysen der entsprechenden Markergene durchgeführt werden.