Function, structure and composition of soil microbial communities affected by plant residue quality in a tropical Vertisol Dissertation
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Beschreibung
Die Wiederverwertung von Pflanzenrückständen ist eine brauchbare Bearbeitungspraxis,
um organische Bodensubstanz zu erhalten und um dadurch die Bodenfruchtbarkeit
tropischer, agrarwirtschaftlich genutzter Böden, in denen nicht nur Quantität, sondern auch
Qualität eine wichtige Rolle spielen, zu verbessern. Ungeachtet, dass Mikroorganismen die
treibende Kraft in Mineralisierungsprozessen darstellen, wurden mikrobielle
Gemeinschaften in tropischen Agroökosystemen kaum untersucht and die Beziehung
zwischen mikrobiologischen Aktivitäten und Gemeinschaftsstruktur ist immer noch unklar.
Zusätzlich, die meisten Mikroorganismen sind immer noch unbekannt, während nur
wenige isoliert, kultiviert und identifiziert sowie direkt in Beziehung zu deren Funktion in
Agrarökosystemen gesetzt wurden.
Diese Studie basiert auf einem Inkubationsexperiment, in dem 15N-angereicherte
Blattrückstrände (90 atm%) mit unterschiedlicher Qualität, d.h. Mais (Nt 1.21%, C/NVerhältnis
32, Lignin/Nt-Verhätnis 2.2, Cellulose 24.9%) und Sojabohne (Nt 2.71%, C/NVerhältnis
15, Lignin/Nt-Verhätnis 1.1, Cellulose 15.5%) gleichmäßig mit Boden von
einem tropischen Vertisol (1%) gemischt und unter kontrollierten Bedingungen (40%
Wasserhaltekapazität, 25°C) inkubiert wurden. Bodenproben wurden nach 3, 7, 15 und 30
Tagen nach Zugabe der Pflanzenrückstände entnommen, um den Effekt der Qualität der
Pflanzenrückstände auf Funktion, Struktur und Zusammensetzung der Bodenmikroben
während des Abbauprozesses in diesem tropischen Vertisol zu evaluieren. Ein zusätzliches
Ziel war es, die Tauglichkeit von 15N-DNA SIP zur Identifizierung der aktiven
mikrobiellen Gemeinschaft untersuchen. Die Zielsetzungen dieser Studie waren, (i) die
Anwendbarkeit von DNA-Stabile Isotope Probing zur Isolierung der aktiven 15Nmarkierten
mikrobiellen Gemeinschaft zu evaluieren, (i)) den Effekt der Qualität der
Pflanzenrückstände auf die Funktion und allgemeine Struktur der mikrobiellen
Gemeinschaft zu ermitteln, (iii) die mikrobielle Gemeinschaft, die aktiv im Abbauprozess
der 15N-markierten Pflanzenrückständen mit unterschiedlicher Qualität zu identifizieren,
und (iv) den Beitrag von Pilzen im frühen Stadium des Abbauprozesses der applizierten
Pflanzenrückstände zu erfassen. Um diese Ziele zu erreichen, wurden neben einer Reihe
von mikrobiologischen und biochemischen Aktivitätsparameter (z.B. Enzymmessungen,
Basalatmung, mikrobielle Biomasse) molekularbiologischen Techniken (PCR-DGGEAnalysen)
angewandt, um die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur der Bakterreien und Pilze
zu analysieren. Ein neues 15N-DNA-Stabile Isotope Probing (SIP) Protokoll wurde
entwickelt, um die molekulare Identifizierung (PCR-DGGE, Klonierung und
Sequenzeireung) der aktiven, im Dekompositionsprozess beteiligten
Gemeinschaftsmitglieder zu ermöglichen.
Die Resultate ergaben, dass 15N-DNA SIP für 15N-markierte mikrobielle Reinkulturen, als
auch für die mit 15N-markiertem Pflanzenmaterial inkubierten Bodenproben brauchbar
war. Einige Limitierungen von 15N-DNA SIP wurden identifiziert: a) die Notwendigkeit
relativ großer DNA-Mengen zur Visualisierung der Gelbanden (obwohl die molekulare
Auflösung viel höher ist), und b) die 15N-DNA Anreicherung sollte idealerweise höher als
50 atom-% sein, jedoch kann diese Erfordernis auf ca. 40 atom-% 15N mit Reinkulturen
mittels einer modifizierter CsCl Zentrifugationsmethode (140K g für 69 Stunden) reduziert
werden. Diese Verbesserungen des 15N-DNA Stable Isotope Probing bieten neue
Möglichkeiten, um die aktiven mikrobiellen Populationen, die spezifische N Substrate
nutzen, in situ zu erfassen.
Die Beziehungen zwischen Gemeinschaftsstruktur, mikrobiellen Aktivitäten und
biochemischen Eigenschafen der hinzu gegebenen Pflanzenrückstände zeigten, dass die
biochemische Qualität (hauptsächlich Cellulose) der Haupteinflussfaktor für die
mikrobielle Aktivität und deshalb für die Entwicklung spezifischer bakterieller und
pilzlicher Gemeinschaften war. Zusätzlich erklärten mikrobielles C/N-Verhältnis, NGehalt
der Pflanzenrückstande und Ergosterol-Gehalt die Veränderungen in den
mikrobiellen Gemeinschaften zwischen den Behandlungen. Dies ließ vermuten, dass die
mikrobielle Gemeinschaft in den Sojabohnerückständen von r-Strategen dominiert wurde
(v.a. Pilze), was mit dem N-Gehalt der Pflanzenrückstände und Ergosterol-Gehalt
korrelierte. Im Gegensatz dazu, waren die mikrobiellen Gemeinschaften in der Mais-
Behandlung den K-Strategen zuzuordnen, was mit eng mit der Cellulose und mikrobiellem
C korrelierte.
Das neu entwickelte 15N-DNA SIP Protokoll bietet eine neue Gelegenheit, die mikrobiellen
Populationen, die aktiv im Abbauprozess von 15N-Pflanzenrückständen zu erfassen. Dies
ist eine weitere Verbesserung im Vergleich zum gewöhnlich verwendeten 13C-DNA SIP,
da hiermit im Speziellen aktive Mitglieder im N Kreislauf detektiert werden können. 15NDNA
SIP wurde entwickelt, um die Gemeinschaftsmitglieder, die aktiv im Abbau
komplexer Pflanzenrückstände involviert sind, zu identifizieren, und um den Effekt der
Qualität der Pflanzenrückstände auf genetische Charakteristika der Bodenmikroflora zu
vergleichen. Die phylogenetische Analyse zeigte, dass die aktiven Mitglieder der
bakteriellen Gemeinschaft hauptsächlich mit den High-GC Gram positiven Bakterien
verwandt waren, während die aktiven mineralisierenden Pilze in beiden 15NPflanzenrückständen
hauptsächlich von Ascomycota dominiert wurden. Dies deutet auf
eine dominante Rolle dieser beiden taxonomischen Gruppen im Abbau von
Pflanzenrückständen in dem untersuchten tropischen Boden hin. Zusätzlich hat die Qualität
der Pflanzenrückstände die Zusammensetzung der aktiven mineralisierenden Gemeinschaft
bestimmt, in dem die Entwicklung von spezifischen bakteriellen und pilzlichen Gattungen
durch die Qualität der hinzu gegebenen Pflanzenrückstände in Beziehung gesetzt werden
konnte. In Sojabohnenrückständen (hoher N (2.7%), niedriger Cellulose Gehalt (15%))
waren die aktiven mineralisierenden Bakterien mit den Gattungen Streptomyces ssp. und
Arthrobacter spp. verwandt, während die aktiven abbauenden Pilze Fusarium ssp. und
Mortierella spp. waren. Im Gegensatz dazu, waren die mineralisieren Bakterien und Pilze
im Maisrückstand (niedriger N (1.2%), hoher Cellulose Gehalt (32%)) hauptsächlich mit
den Pseudonocardia ssp. bzw. Penicillium ssp. und Aspergirllus ssp. verwandt.
Basierend auf diesen Resultaten, kann der Schluss gezogen werden, dass dieses neue 15NDNA
SIP Protokoll möglicherweise für viele organische Rückstände verwendet werden
kann. Solange diese hoch 15N angereichert sind (wenigstens 90 atom%), wird die DNA der
Bodenmikroben ausreichend mit 15N markiert werden, um verlässliche SIP Fraktionen zu
erhalten, die die Identifikation der aktiven mineralisierenden Gemeinschaft, Bakterien und
Pilze erlauben. Dennoch ist die Verwendung einer unmarkierten Kontrolle wegen der
unterschiedlichen GC-Gehalte zwingend.
Weiterhin wird suggeriert, dass die identifizierte, aktive mikrobielle Gemeinschaft, die im
Abbau der Pflanzenrückstände beteiligt sind, aus einer Kombination von beiden, bereits
bestehenden Gemeinschaft (bereits in der Kontrollbehandlung vorhanden) und einer
stimulierten, potenziell ruhendenGemeinschaft (neu auftauchend) besteht.
Die Resultate dieser Studie ergaben zudem, dass dieser neue Ansatz weiter entwickelt
werden muss, um spezifische Funktionen (z.B. funktionelle Gene, die im Kohlenstoff- und
Stickstoffkreisluaf involviert sind) zu ermitteln, um die Interaktionen zwischen
organischen Pflanzenrückständen und Bodenmikroorganismengemeinschaften als
Schlüsselfiguren in Nährstoffkreisläufen vollständig zu verstehen. Dies wird dabei helfen,
die mikrobielle Identität und spezifische Funktionen zu verknüpfen.
Autor*in
Migrelia Espana