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Microorganisms (Kernprojekt)

Artenvielfalt und Gemeinschaftszusammensetzung von Bodenmikroorganismen in Grünland- und Waldökosystemen entlang von Landnutzungsgradienten

Kernprojekt 8

Lebewesen, die kleiner sind als 50µm zählen zu den Mikroorganismen. Dazu gehören Bakterien, Archaeen, Pilze, aber auch einzellige kleinere Eukaryoten wie Protisten.

Abbildung: Die Collage enthält sechs Fotos zu Arbeitsschritten von Molekular-Analysen in einem Labor, durchgeführt von einem Wissenschaftler. Foto 1 zeigt ein Gerät zur Proben-Standardisierung. Foto 2 zeigt den Wissenschaftler bei der Arbeit an einem Gerät für die Polymerase-Kettenreaktion. Foto 3 zeigt den Wissenschaftler, der mit einer elektronischen Pipette eine Probe in ein Mikro-Reaktionsgefäß füllt. Foto 4 zeigt einen Sequenzer der Marke Illumina MiSeq. Foto 5 zeigt den Wissenschaftler an einem Gerät zur Bio-Informatik-Qualitätsprüfung. Foto 6 zeigt den Wissenschaftler an einem Schreibtisch vor einem Computer bei Eingaben zur Zuordnung.

Hintergrund

Mikroorganismen (d. h. Archaeen, Bakterien und Pilze) stellen die dominierenden Lebensformen im Boden sowohl hinsichtlich der Biomasse als auch der Biodiversität dar und bilden komplexe funktionelle Interaktionsnetzwerke. Diese mikrobiellen Gemeinschaften werden daher oft als „Bodenmikrobiom“ bezeichnet. Sie erbringen wichtige Ökosystemleistungen wie Bodenbildung, Steuerung von Nährstoffkreisläufen, Pflanzenernährung, Entgiftung sowie Gas- und Stoffaustausch mit Atmosphäre und Grundwasser. Diese Schlüsselrollen beruhen auf komplexen Interaktionen zwischen den Bodenmikroorganismen selbst, aber auch zwischen Mikroorganismen und den unter- und oberirdischen Pflanzen- und Tiergemeinschaften.

Neben standortspezifischen Eigenschaften wie Bodenart und lokalem Klima können auch die Landnutzungsarten und die Landnutzungsintensität wichtige Treiber der mikrobiellen Bodenvielfalt sein. Bisher sind die funktionellen Zusammenhänge zwischen Umweltfaktoren und mikrobieller Vielfalt im Boden nicht ausreichend verstanden.

Dank der Entwicklung von Hochdurchsatz-Sequenzierung und leistungsfähigen bioinformatischen Methoden ist es möglich geworden, die Biodiversität von Bodenmikroorganismen in großem Maßstab zu analysieren. Seit Beginn der Biodiversitäts-Exploratorien im Jahr 2006 ist das Kernprojekt 8 für das Monitoring der Biodiversität von Bodenmikroorganismen zuständig.

Während der anfängliche Fokus auf Boden- und arbuskulären Mykorrhizapilzen lag, führt das Kernprojekt 8 in seiner aktuellen Phase die Untersuchung aller relevanten Mikroorganismen durch, einschließlich Pilzen, Bakterien und Archaeen.

Ziele

Die Hauptziele des Kernprojekts Mikroorganismen sind:

Organisation koordinierter Bodenprobennahmekampagnen (in Kooperation mit Kernprojekt 9). Die nächste Probenahme ist für Frühjahr 2023 geplant.
Langzeitarchivierung von Bodenproben und extrahierten genetischen Materials.
Langzeitmonitoring zur Biodiversität von Bodenbakterien, Archaeen und Pilzen in allen 300 EPs sowie in den neu eingerichteten Großexperimenten (FOX, REX I+II, LUX).
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 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.

Abbildung: Das Foto zeigt auf einem Waldboden liegend einen Kernbohrstock und daneben den herausgenommenen Innenbehälter, der der Länge nach halbseitig offen ist und den Bohrkern enthält. Über dem Behälter sieht man die behandschuhten Hände eines Wissenschaftlers kurz vor der Entnahme des Bohrkerns. Rechts von dem Wissenschaftler befindet sich ein transparenter Probenbeutel.

Impressionen der gemeinsamen Bodenprobenahme im Hainich-Dün, Mai 2017

Abbildung: Das Foto zeigt einen menschenleeren Raum, der mit einer Leuchtstoffröhre an der Decke beleuchtet wird. Links im Hintergrund an der Wand stehen Kanister, Gasflaschen, Siebe und Rucksäcke. Direkt daneben ist ein offener Durchgang zu einem Hof. Rechts im Hintergrund stehen Leitern an der Wand, daneben sind ein Metallschrank sowie drei hohe Kühl- oder Gefrierschränke zu sehen, zwei davon außer Betrieb. In der Mitte des Raums stehen zwei lange Klapptische mit Holztischplatten. Vor dem einen Tisch steht eine Schubkarre, vor dem anderen eine Bank. Auf beiden Tischen liegen verschiedene Arbeitsmaterialien sowie Klarsichtbeutel mit Proben darin. Im Vordergrund des Bilds ist links auf einem Tisch ein großer Haufen von Beuteln mit Proben darin zu sehen.

Nullbeprobung des Forest Gap Experimentes /FOX im Dezember 2019 im Exploratorium Schorfheide-Chorin

Service-Leistungen

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 6. Phase (2020-2023) stellt das Kernprojekt 8 folgende Service-Leistungen/Basisuntersuchungen zur Verfügung:

Organisation von koordinierten Bodenprobennahmekampagnen 2021 (unter Corona-Beschränkungen) und 2023 (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 notwendiger 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).
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 (2008-2017) an alle interessierten Teilprojekte.
Quantifizierung von Schlüsselorganismen mittels quantitativer PCR (qPCR) (2008-2017).

Ergebnisse

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).

Publikationen

The influence of forest gaps and their subsequent closure on the diversity of soil fungi

Der Einfluss von Waldlücken auf Bodenpilze

Wöltjen J. (2023): The influence of forest gaps and their subsequent closure on the diversity of soil fungi. Master thesis, University Koblenz-Landau

Influence of land use on the temporal dynamics of fungal communities across the German Biodiversity Exploratories (BE)

Einfluss von Landnutzung auf die zeitlichen Dynamiken von Bodenpilze in den Deutschen Biodiversitätexploratorien (BE)

Rivera Cerquera D. F. (2023): Influence of land use on the temporal dynamics of fungal communities across the German Biodiversity Exploratories (BE). Bachelor thesis, University of Leipzig

Unraveling spatiotemporal variability of arbuscular mycorrhizal fungi in a temperate grassland plot

Goldmann K., Boeddinghaus R. S., Klemmer S., Regan K. M., Heintz-Buschart A., Fischer M., Prati D., Piepho H.-P., Berner D., Marhan S., Kandeler E., Buscot F., Wubet T. (2020): Unraveling spatio‐temporal variability of arbuscular mycorrhiza fungi in a temperate grassland plot. Environmental Microbiology 22 (3), 873-888. doi: 10.1111/1462-2920.14653

Resident and phytometer plants host comparable rhizosphere fungal communities in managed grassland ecosystems

Vergleichbare Pilzgemeinschaften in der Rhizosphäre von ansässigen Pflanzen und Phytometerpflanzen in bewirtschafteten Grünlandökosystemen

Schöps R., Goldmann K., Korell L., Bruelheide H., Wubet T., Buscot F. (2020): Resident and phytometer plants host comparable rhizosphere fungal communities in managed grassland ecosystems. Scientific Reports 10: 919. doi: 10.1038/s41598-020-57760-x

Early stage root-associated fungi show a high temporal turnover, but are independent of beech progeny

Goldmann K., Ammerschubert S., Pena R., Polle A., Wu B.-W., Wubet T., Buscot F. (2020): Early stage root-associated fungi show a high temporal turnover, but are independent of beech progeny. Microorganisms 8 (2), 210. doi: 10.3390/microorganisms8020210

Distribution of Medically Relevant Antibiotic Resistance Genes and Mobile Genetic Elements in Soils of Temperate Forests and Grasslands Varying in Land Use

Verbreitung von medizinisch relevanten Antibiotikaresistenzgenen und mobilen genetischen Elementen in Wald- und Grünlandböden

Willms I. M., Yuan J., Penone C., Goldmann K., Vogt J., Wubet T., Schöning I., Schrumpf M., Buscot F., Nacke H. (2020): Distribution of Medically Relevant Antibiotic Resistance Genes and Mobile Genetic Elements in Soils of Temperate Forests and Grasslands Varying in Land Use. Genes 11 (2), 150. doi: 10.3390/genes11020150

Der Einfluss von Borkenkäfern (Curculionidae, Scolytinae) auf das Mykobiom der Gemeinen Fichte (Picea abies (L.) H. Karst., Pinaceae) im Biodiversitäts-Exploratorium Hainich-Dün

Masch D. (2020): Der Einfluss von Borkenkäfern (Curculionidae, Scolytinae) auf das Mykobiom der Gemeinen Fichte (Picea abies (L.) H. Karst., Pinaceae) im Biodiversitäts-Exploratorium Hainich-Dün. Bachelor thesis, FU Berlin

Belowground plant microbiome diversity and community composition in grassland ecosystems along land-use gradients in the German Biodiversity Exploratories

Unterirdische Pflanzenmikrobiomvielfalt und Gemeinschaftszusammensetzung in Grünlandökosystemen entlang von Landnutzungsgradienten in den deutschen Biodiversitäts-Exploratorien

Schöps R. (2020): Belowground plant microbiome diversity and community composition in grassland ecosystems along land-use gradients in the German Biodiversity Exploratories. Dissertation, Leipzig University

Land-use intensity rather than plant functional identity shapes bacterial and fungal rhizosphere communities

Landnutzungsintsität anstatt von funktionellen Pflanzengruppen beeinflussen die bakterielle und pilzliche Rhizosphärengemeinschaft

Schöps R., Goldmann K., Herz K., Lentendu G., Schöning I., Bruelheide H., Wubet T., Buscot F. (2018): Land-use intensity rather than plant functional identity shapes bacterial and fungal rhizosphere communities. Frontiers in Microbiology 9:2711. doi: 10.3389/fmicb.2018.02711

Auswirkung von pflanzlichen Nachbarschaftseffekten auf die pilzliche Diversität und Gemeinschaftszusammensetzung in der Rhizosphäre

Lohmaier A. (2018): Auswirkung von pflanzlichen Nachbarschaftseffekten auf die pilzliche Diversität und Gemeinschaftszusammensetzung in der Rhizosphäre. Master thesis, University Halle-Wittenberg

Preservation of nucleic acids by freeze-drying for next generation sequencing analyses of soil microbial communities

Weißbecker C., Buscot F., Wubet T. (2017): Preservation of nucleic acids by freeze-drying for next generation sequencing analyses of soil microbial communities. Journal of Plant Ecology 10 (1), 81-90. doi: 10.1093/jpe/rtw042

Die sogenannten Kernprojekte der BE gingen aus dem Projekt zur Flächenauswahl und dem Aufbau der Exploratorien (2006-2008) hervor. Sie stellen seit 2008 die Infrastruktur bereit und erheben für alle Projekte wichtige Basisinformationen zu Landnutzung, Diversität und Ökosystemprozessen (Langzeitmonitoring). Zudem sie koordinieren projektübergreifende Aktivitäten wie etwa verschiedene Grossexperimente.