Artenvielfalt und Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften in Böden von Grünland- und Waldökosystemen entlang von Landnutzungsgradienten

Die Hauptziele des Kernprojekts Mikroorganismen sind:

• Organisation koordinierter Bodenprobennahmekampagnen (in Kooperation mit Kernprojekt 9). Die nächste Probenahme ist für Frühjahr 2026 geplant.
• Langzeitarchivierung von Bodenproben und extrahierten genetischen Materials (DNA und RNA).
• Langzeitmonitoring zur Biodiversität von Bodenbakterien, Archaeen, Pilzen und deren Funktion in allen 300 EPs sowie in den neu eingerichteten Großexperimenten (FOX, REX I+II, LUX). Darüber hinaus wird die Zusammensetzung von Viren- und Phagenpopulationen erfasst.
• Identifizierung und Charakterisierung von mikrobiellen Schlüsselarten mittels Co-Occurrence-Netzwerkanalysen, gefolgt von ausgewählten metagenomischen Analysen mittels Shotgun-Sequenzierung. Dies wird vertiefte Einblicke in die funktionelle mikrobielle Diversität ermöglichen.
• Identifizierung und funktionelle Analyse des kleinen, aber bedeutsamen Anteils an aktiven Bakterien durch Analyse des rRNA/rDNA-Zahlenverhältnisses. Dies ist von Bedeutung, da die meisten Bodenbakterien inaktiv sind und somit nicht zu Ökosystemfunktionen beitragen.
• Etablierung adäquater Primer und Quantifizierung von Schlüsselorganismen bzw. Schlüsselfunktionen mittels quantitativer PCR (qPCR).
• Rekonstruktion mikrobieller Genome und entsprechende Ableitung der mikrobiellen ökologischen Funktionen aus repräsentativen Grünlandflächen (Metagenome).
• Teilnahme an der gemeinsamen zusammenführenden Analyse (Syntheseprojekte) von Daten aus den verschiedenen Fachdisziplinen der wissenschaftlichen Gemeinschaft der Biodiversitäts-Exploratorien.
• Interaktion und Datenaustausch mit Projekten auf internationaler Ebene.

Alle Kernprojekte liefern wichtige Basisinformationen zu Landnutzung, Diversität und Ökosystemprozessen (Langzeitmonitoring). Diese werden den Teil-Projekten in jeder Phase für die Erforschung tiefergreifende Fragestellungen zur Verfügung gestellt.

Service-Leistung der aktuellen Phase

In der 7. Phase (2023-2026) stellt das Kernprojekt 8 folgende Service-Leistungen/Basisuntersuchungen zur Verfügung:

• Organisation von koordinierten Bodenprobennahmekampagnen 2023 (in Kooperation mit Kernprojekt 9).
• Pilotbeprobung der neuen Ackerflächen im Frühjahr 2024 (in Kooperation mit Kernprojekt 9).
• Hinterlegung und Langzeitlagerung (-80°C) von Bodenproben aus koordinierten Bodenprobennahmen und den Großexperimenten (FOX, REX I+II, LUX) zur anschließenden Analyse. Teilproben können für zukünftige Arbeiten in den beitragenden Projekten bereitgestellt werden (kleine Mengen für molekulare Arbeiten).
• Standardisierung von Extraktionen des genetischen Materials sowie adäquater bioinformatischer Techniken nach der Hochdurchsatz-Sequenzierung. Optimierte Standards werden auch den Teilprojekten zur Verfügung stehen.
• Extraktion und Lagerung von genetischem Material (sowohl DNA als auch RNA) aus allen EP-Plotproben aus koordinierten Bodenprobennahmekampagnen und den Großexperimenten (FOX, REX I+II, LUX), die den Teilprojekten zur Verfügung gestellt werden können.
• Bereitstellung von Diversitätsdaten zu Bodenmikroorganismen (Archaeen, Bakterien und Pilze) und Viren und von Informationen zu mikrobiellen Funktionen.
• Sequenzierung (Illumina, PacBio) von Probenmaterial von Teilprojekten.
• Schulung und Unterstützung der Mitglieder von Teilprojekten zu molekularen Techniken und Bioinformatik im Rahmen von modernen Hochdurchsatz Sequenzierungstechniken.

Service-Leistungen vergangener Phasen

• Bereitstellung von Diversitätsdaten zu Bodenpilzen. Wir haben bereits Listen von Amplikon-Sequenzvarianten (ASVs) oder operationellen taxonomischen Einheiten (OTUs) von Boden- und arbuskulären Mykorrhizapilzen für die Probennahmekampagnen 2011, 2014 und 2017 in allen EPs in die zentrale Datenbank BExIS eingestellt. Diese Daten wurden in zahlreichen Synthesepublikationen zum Zusammenhang zwischen Landnutzungsintensität, unter- und überirdischer Biodiversität und Multifunktionalität von Ökosystemen verwendet.
• Bereitstellung von DNA-Extrakten aus Bodenproben koordinierter Bodenprobennahmekampagnen (2008-2023) an alle interessierten Teilprojekte.
• Quantifizierung von Schlüsselorganismen mittels quantitativer PCR (qPCR) (2008-2017).

Core 8-Daten wurden verwendet, um:

• zu analysieren, inwieweit die Unterschiedlichkeit von mikrobiellen Gemeinschaften in Waldböden von der geographischen Distanz (sog. distance-decay) in ganz Deutschland abhängt und inwieweit die mikrobielle Diversität in der Bodenwurzelzone abhängig ist von den Baumarten (Goldmann et al. 2016. Scientific Reports, 6(1), 1-10).
• die raumzeitliche Variabilität von arbuskulären Mykorrhiza in Grünlandflächen aufzudecken (Goldmann et al. 2020. Environmental Microbiology, 22(3), 873-888).
• die raumzeitliche Variabilität nitrifizierender Bodenbakterien und deren Interaktionen zu entschlüsseln (Stempfhuber et al. 2017).
• zu zeigen, dass im Grünland die unterirdische Biodiversität, im Gegensatz zur oberirdischen Biodiversität, positiv mit einer Zunahme der Landnutzungsintensität einhergeht (Goßner et al. 2016. Nature, 540(7632), 266-269).
• zu zeigen, dass für die Multifunktionalität von Ökosystemen Biodiversität auf mehreren Ebenen erforderlich ist (Soliveres et al. 2016. Nature, 536(7617), 456-45) und seltene Arten die Multifunktionalität von Grünland beeinflussen (Soliveres et al. 2016. Nature, 536, 456-459).
• den Anteil aktiver Bodenbakterien zu identifizieren (mittels rRNA/rDNA-Zahlenverhältnissen) und deren Beitrag zur Bodenfunktion zu analysieren (in Vorbereitung).
• Schlüsseltaxa zu identifizieren und charakterisieren durch Netzwerkanalyse (in Vorbereitung)
• die Virenpopulationen im Boden zu charakterisieren (in Vorbereitung)
• Funktionelle Fingerprints der Böden in Abhängigkeit der Landnutzungsintensität zu erstellen (in Vorbereitung)