Prokaryoten-Wachstumsfaktoren als Triebkraft für die Biodiversität im Boden und für Ökosystemprozesse

Description: Die Biodiversität des Bodenmikrobioms wird mit einer Reihe nützlicher Ökosystemprozesse in Verbindung gebracht. Daher sind die ökologischen und evolutionären Mechanismen, die zur Artenvielfalt führen, eine Überlegung wert. Die bisherige Forschung konzentrierte sich auf Bedeutung ökologischer und umwelt Faktoren. Im Gegensatz dazu wurde die Rolle der Auxotrophie, die sich aus dem Verlust von Genen für Wachstumsfaktoren (WF) (evolutionäre Faktoren) ergibt, bisher übersehen. Über evolutionäre Zeit hinweg begünstigt die Selektion Prokaryoten, die Genverluste erleiden, da dies die Belastung durch die Investition von Proteinsynthese in die allgemeine Zellerhaltung verringert. Zu Genverlusten kommt es z.B. durch die Möglichkeit, dass ein Taxon in obligaten Wechselbeziehungen mit anderen Prokaryoten oder Eukaryoten-Wirten eingebunden ist, z. B. in der Rhizosphäre. Es ist möglich, dass sich mutualistische Interaktionen entwickeln, bei denen zwei Auxotrophe einander komplementäre WF zur Verfügung stellen (Arbeitsteilung), oder kommensale Interaktionen, bei denen ein Taxon die Last der Produktion wesentlicher WF für Auxotrophe übernimmt (Black Queen Hypothese). Solche Interaktionen könnten nicht nur die biologische Vielfalt fördern, indem sie die Notwendigkeit der Koexistenz begründen, sondern auch dazu führen, dass auxotrophe Taxa alternativ Proteinsynthese in die Durchführung nützlicher Ökosystemprozesse investieren. Mit einem Metagenomik-Ansatz, der Prokaryoten sowohl auf Gemeinschafts- als auch auf individueller (d. h. genomischer) Ebene berücksichtigt, wird in diesem Projekt untersucht, wie Auxotrophie-abhängige Interaktionen die Biodiversität im Boden und Ökosystemprozesse unterstützen. Die Unteruchen erfolgen mit einem landwirtschaftlich genutzten Boden, auf dem Winterweizen angebaut wird. Das genetische Potenzial wird mit dem Wachstum durch substratinduzierte Kalorimetrie und Atmung verknüpft, die entweder Prototrophe oder Auxotrophe stimulieren. Mit diesem Versuchsplan sollen: 1) allgemeine Assemblierungsmuster zwischen Proto- und Auxotrophen auf der Gemeinschaftsebene identifiziert werden, einschließlich funktioneller Gene, die mit Ökosystemprozessen in Verbindung stehen; 2) die Bedeutung der Rhizosphäre bei der Veränderung von Prokaryoten-abhängigen Interaktionen bewerten werden und zu untersuchen, wie sich dies auf die Zusammensetzung funktioneller Gene auswirkt; und 3) zu bestimmen, ob Cross-Feeding-Interaktionen der Arbeitsteilungs- oder Black Queen Hypothesis entsprechen, und zu bestätigen, dass Auxotroph eher in funktionelle Gene investieren, die Ökosystemprozesse vorantreiben, als in die allgemeine Zellerhaltung. Diese Ergebnisse werden unser grundlegendes Verständnis der Faktoren verbessern, die die Biodiversität in mikrobiellen Bodengemeinschaften fördern, und gleichzeitig untersuchen, wie sich Genverluste innerhalb einzelner Taxa letztlich auf Prozesse wie die Pflanzenproduktivität und den biogeochemischen Kreislauf auswirken.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Genom ? Biogeochemie ? Bodenkunde ? Rhizosphäre ? Artenvielfalt ? Atmung ? Kalorimetrie ? Bodenbiodiversität ? Biodiversität ? Bioinformatics ? Bioinformatik ? Soil Sciences ? Theoretical Biology ? Theoretische Biologie ?

Region: Lower Saxony

Bounding boxes: 9.16667° .. 9.16667° x 52.83333° .. 52.83333°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Technische Universität Braunschweig (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

Time ranges: 2023-01-01 - 2025-12-04

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Prokaryote growth factor cross-feeding as a driver of soil biodiversity and ecosystem processes
  Description: Soil microbial biodiversity is associated with a number of beneficial ecosystem processes, e.g. plant productivity, biogeochemical cycling of macro-elements and resistance to perturbation. Therefore, the ecological and evolutionary mechanisms that increase biodiversity are worth consideration. Previous research has focused on niche differentiation and competitive exclusion (ecological factors) and spatial heterogeneity (environmental factors). In contrast, a role for auxotrophy arising from gene-loss events of essential growth factors (evolutionary factors) has been overlooked. Over evolutionary timescales, selection favours Prokaryotes that undergo gene-loss events as this reduces the burden of investing protein synthesis and energy into general cell maintenance. Gene-loss occurs despite the potential for taxa to be locked into obligate cross-feeding interactions with other Prokaryotes or Eukaryote hosts, e.g. plant rhizosphere. It is possible for mutualistic interactions to develop, whereby two auxotrophs provide complementary growth factors to each other as the ‘Division of Labour Hypothesis’, or commensal interactions where one taxon adopts the burden of producing essential growth factors for auxotrophs as the ‘Black Queen Hypothesis’. We predict that, not only do such interactions promote biodiversity by establishing the need for co-existence, but that auxotrophic taxa alternatively invest protein synthesis and energy into performing beneficial ecosystem processes. With a metagenomics approach that considers Prokaryotes at both community and individual (i.e. genome) scales, this project will investigate how auxotrophy-dependent cross-feeding interactions support soil biodiversity and ecosystem processes. This will be tracked over time in an agricultural soil undergoing winter wheat cropping at: 1) fallow period; 2) tillering, 3) stem elongation and 4) ripening stages, and 5) reinstitution of fallow. Genetic potential will be linked to growth via substrate-induced calorimetry and respiration of soil communities that stimulate either prototrophs or auxotrophs. This experimental design will specifically: 1) identify general assembly patterns between proto- and auxotrophs at the community scale, including functional genes associated with ecosystem processes; 2) assess the importance of plant rhizosphere in altering Prokaryote-dependent interactions, and how this affects the composition of functional genes; and 3) determine if cross-feeding interactions fit the Division of Labour or Black Queen Hypothesis, and confirm that auxotrophs are more likely to invest in functional genes that drive ecosystem processes rather than general cell maintenance. These outcomes will improve our fundamental understanding of the factors that promote biodiversity in soil microbial communities, while also investigating how gene-loss events within individual taxa ultimately have consequences for processes such as plant productivity and biogeochemical cycling. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140298

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/522758166 (Webseite)

Status

Aktiv

Quality score

• Overall: 0.48
• Findability: 0.60

  • Title: 0.80
  • Description: 0.18
  • Identifier: false
  • Keywords: 0.64
  • Spatial: RegionIdentified (1.00)
  • Temporal: true
• Accessibility: 0.67

  • Landing page: Specific (1.00)
  • Direct access: false
  • Publicly accessible: true
• Interoperability: 0.00

  • Open file format: false
  • Media type: false
  • Machine-readable metadata: false
  • Machine-readable data: false
• Reusability: 0.67

  • License: ClearlySpecifiedAndFree (1.00)
  • Contact info: false
  • Publisher info: true

Accessed 1 times.