Schwankungen in der Verfügbarkeit von Licht und Nährstoffen im Phytoplankton führen zu Unterschiede in der Nährstoffstöchiometrie der Algen. Diese Variabilität wird weiter beeinflusst durch Wachstumsratender Algen. In den meisten Fällen führt schnelles Wachstum zu einem bestimmten optimalen Nährstoffgehalt in Algen, während Algen die langsamer wachsen eine viel größere Variabilität in Nährstoffzusammensetzung vorweisen. Diese Muster wurden bis jetzt vor allem auf Populationsebene nachgewiesen, und bis jetzt ist es unklar, ob dies auch gilt innerhalb von Populationen, zwischen einzelnen Algenzellen. So ist es eine offene Frage, ob der Zusammenhang zwischen Wachstumsrate und Nährstoff Stöchiometrie von Algen eine Populationsresponse oder auch eine Response einzelner Zellen ist. Zooplankton verzeichnet in der Regel eine deutlich konstantere Nährstoffstöchiometrie als Algen und damit ein stärkeres Maß an Homöostase. Verschiedene Lebensstadien der gleichen Spezies können jedoch völlig unterschiedliche Ernährungsbedürfnisse haben. Zum Beispiel haben die schnellere wachsende Nauplien in Copepoden, einen höheren Bedarf an Phosphor als ältere Stadien. Infolgedessen, hat eine von jüngeren Stadien dominierte Population eine unterschiedliche optimale Nahrung als wenn die Population von älteren Stadien dominiert wird. In dieser Studie werden wir prüfen ob Variation in Populationswachstum in Mikroalgen zu Änderungen in der Nährstoffstöchiometrie der Algen führt, sowohl zwischen Populationen als auch zwischen Individuen innerhalb von Populationen. Wir untersuchen dann den Effekt dieser durch unterschiedliche Wachstumsraten induzierten Veränderungen in Nährstoffzusammensetzung auf das Wachstum und die Dynamik der Weidegänger. Wenn die Variation in Nährstoffstöchiometrie mit langsamer Algenwachstum zunimmt, dann entsteht hier durch potentiell ein Gradient verschiedener Nahrungsqualitäten. Wir wissen, dass viele Herbivoren ihre Nahrung sehr selektiv zu sich nehmen. Also, wenn langsameres Wachstum ein breiteres Spektrum an verschiedenen Nährstoffstöchiometrie in den Algen als Konsequenz hat, entstehen hier durch potentiell mehrere Nischen für unterschiedliche Arten oder Lebensstadien. Im Idealfall würde im Falle der Copepoden, die Nauplien hohe P-Algen aus der Population aufnehmen, während die älteren Stadien selektiv die Algen fressen würden die mehr Stickstoff enthalten. So würde die Konkurrenz für eine Ressource eingeschränkt werden, da es innerhalb einer langsam wachsenden Population mehr als eine Ressource geben würde. Letztlich könnte dies bedeuten, dass Systeme mit langsamer wachsenden Primärproduzenten eine höhere Vielfalt von Sekundärproduzenzen aufrechterhalten könnte als jene in dem Algenwachstum höher ist.
Das Chew Bahir Drilling Projekt (CBDP) erbrachte tropische Sedimente aus den letzten 650000 Jahren. DNA-Metabarcoding an diesen Proben erschließt ein einzigartiges paläolimnologisches Archiv bezüglich Zeitspanne und zeitlicher Auflösung. In einer Pilotstudie konnten wir mittels Hybridization-Capture-basiertem Metabarcoding eukaryotische DNA aus den ca. 280 m langen Chew Bahir-Kernen in Sedimenten bis 70m Tiefe (ca. 150000 Jahren) analysieren. Dabei werden Sedimentproben einer Taxon- und Gen-spezifischen DNA-Anreicherung mit spezifischen Sonden ('baits') unterzogen und mittels Next-Generation-Sequencing analysiert. Wir wollen das Potenzial des DNA-Metabarcodings in den langen CBDP-Kernen weiter untersuchen. Unsere grundlegenden wissenschaftlichen Fragen sind: (1) Wie reagiert das Ökosystem auf kurze, aber signifikante Störungen, z.B. Dürren oder erhöhte Feuchtigkeit? Wir testen die Hypothese, dass einzelne Störungen das Ökosystem dauerhaft verändern, indem wichtige Komponenten des Ökosystems ausgetauscht werden. Da wir die Gesamtheit der Eukaryoten erfassen, können wir die Effekte für die Biodiversität quantifizieren und Folgen für Ökosystemfunktionen ableiten. (2) Was sind die Folgen globaler und lokaler Klimaveränderung, z.B. an Kipppunkten (tipping points)? Hier untersuchen wir, ob und wie ein Ökosystem infolge einer Störung von einem stabilen Zustand in einen anderen übergeht. Ein spezieller Fokus ist, ob ökologische Nischen nach einer Störung von den gleichen Taxa wiederbesiedelt werden oder ob sie durch andere Taxa ersetzt werden, wodurch sich Eigenschaften des Ökosystems verändern können. (3) Welche Langzeit-Trends finden sich in den Lebensgemeinschaften in Chew Bahir und anderen afrikanischen Sedimentkernen? Wir werden zeitliche Trends unserer Ziel-Eukaryotentaxa ermitteln, sowohl bezüglich der Artzugehörigkeit als auch bezüglich kryptischer genetischer Variation und (halbquantitativ) relativer Abundanz. Dies umfasst als Proxies etablierte Planktonorganismen (Ostracoda, Cladocera, Rotatoria, Diatomeen), aber auch wichtige terrestrische Arten (Insekten, Nagetiere, Huftiere, höhere Pflanzen). (4) Wie lange zurück in der Zeit können DNA-Reste im Chew Bahir und anderen HSPDP-Kernen extrahiert und analysiert werden? Hier werden wir Möglichkeiten DNA-basierter Detektion von Organismen in tieferen Schichten der Kerne (unter 70m) evaluieren. Weiterhin werden wir unsere Analyseprotokolle optimieren, um die DNA-Ausbeute unserer Zieltaxa zu maximieren und methodische Verzerrungen zu minimieren. Darüberhinaus werden wir Möglichkeiten und Grenzen halbquantitativer Abundanzschätzungen mittels NGS und qPCR zwischen Kernschichten und Taxa evaluieren. Wir analysieren gezielt Sedimente vor, während und nach drastischen Umweltveränderungen (vor allem Transitionen zwischen Dürren und Feuchtperioden), die in lithologischen Untersuchungen unserer Kooperationspartner identifiziert werden.
Das Zusammenspiel von ökologischen und evolutionären Dynamiken ist entscheidend für die meisten ökologischen und evolutionären Prozesse, da es die Koexistenz von Arten und deren Biomassen sowie deren lokale Anpassungen und innerartliche Variation und Polymorphismen bestimmen kann. Über die Bedeutung dieser öko-evolutionären Rückkopplungen zwischen den Dynamiken von Populationen und deren Merkmalen für die Pufferung von externen Störungen ist allerdings wenig bekannt. Wir planen die Entwicklung einer allgemeinen Theorie. Sie soll die Möglichkeit der Pufferung von externen Störungen durch das Zusammenspiel von ökologischen und Merkmalsdynamiken darstellen. Diese sollen dann experimentell überprüft werden. Wir werden die Effekte externer Störungen auf einen Räuber eines Räuber-Beute-Systems mit und ohne öko-evolutionären Rückkopplungen untersuchen. Insbesondere wollen wir die Vorhersage testen, dass erhöhte Mortalität und niedrigere Wachstumsraten des Räubers als Folge einer Umweltänderung indirekt durch Anpassungen in der Beutepopulation abgepuffert werden können. Dies führt dann indirekt zur Rettung und Förderung des Räubers. Wir werden den Umfang und die Geschwindigkeit von indirekter Rettung und Förderung als Funktion eines Trade-offs zwischen Fraßschutz und Konkurrenzfähigkeit untersuchen. Insgesamt wird dieses Projekt zu unserem Verständnis der Bedeutung des Zusammenspiels von Merkmalen und Populationsdynamiken in sich ändernden Umwelten beitragen und damit helfen, mögliche Reaktionen von Artengemeinschaften auf diese Änderungen vorherzusagen.
Wirbellose Tiere im Boden sind schwer zu identifizieren, dabei stellen Collembola - Springschwänze - keine Ausnahme dar. Folglich ist bisher nur wenig über die grundlegende Ökologie und Naturgeschichte der Collembola bekannt, insbesondere auf der Organisationsebene von Arten und Gemeinschaften. DNA-basierten Identifikation (Barcoding und Metabarcoding) erleichtert die Identifizierung, bringt jedoch einige Schwierigkeiten mit sich: 1) Barcode-Datenbanken für Bodenorganismen sind unvollständig, insbesondere in Deutschland, 2) die Wahl des Barcodes und der PCR Primer beeinflusst die Vergleichbarkeit zwischen Studien und 3) Metabarcoding kann keine Aussage über den Umfang der Biomasse treffen. Wir adressieren diese Problematik zunächst mit der Erstellung einer spezialisierten Datenbank ('Springtail Genome Reference Database', SGRD) mit Fokus auf der Collembola-Fauna von Grasflächen. Diese Datenbank wird nicht nur alle gängigen Barcodes enthalten, sondern zusätzlich umfangreiche neue Genominformationen beinhalten. Des Weiteren implementieren wir eine shotgun-metagenomische Methodik, um die Probleme bezüglich der Primerauswahl und Biomasseschätzung beim Metabarcoding zu umgehen. Wir verwenden dann die SGRD Datenbank und Metagenomik zusammen, um die Strukturen und Funktionen der Collembola-Gemeinschaften auf allen 150 Wiesen der Biodiversitäts-Exploratorien zu bewerten. Im Einzelnen werden wir bewerten 1) wie die Intensität der Bodennutzung die Artenvielfalt, den Reichtum und 2) die Verbreitung von funktionellen Merkmalen ('Traits') beeinflusst, und 3) wie die Collembola-Gemeinschaften mit anderen Organismengruppen, insbesondere mit Pilze und Pflanzen des Graslandökosystems in Verbindung stehen. Diese Arbeit wird eine unschätzbare Ressource für die zukünftige Erforschung der Bodenfauna-Gemeinschaften in Westeuropa darstellen und neue Einblicke in die grundlegende Ökologie einer bisher wenig verstandenen Gruppe ermöglichen.
In Teilprojekt A01 werden an den limnischen Organismen Wasserfloh (Daphnia) und der Zebramuschel (Dreissena polymorpha) Effekte von Mikroplastik (MP) mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Materialeigenschaften im Vergleich zu natürlich vorkommendem partikulärem Material untersucht. Die Organismen wurden gewählt, da Wasserflöhe und Muscheln eine wichtige Rolle im aquatischen Nahrungsnetz spielen und beide als Filtrierer einer steten partikulären Fracht ausgesetzt sind, und somit ein erhöhtes Risiko haben im Wasser befindliches MP unselektiv zu ingestieren. Bei Daphnia werden klassische Lebenszyklusmerkmale, wie Mortalitätsrate, Wachstum und Anzahl der Nachkommen, sowie bei D. polymorpha das Verhalten und Stressmarker gemessen. Um die biologischen und biochemischen Mechanismen der MP-Effekte auf diese Organismen zu verstehen, werden die Transkriptome und Darmmikrobiome MP-exponierter Tiere analysiert und mit entsprechenden Kontrollen verglichen. Da Proteine eine zentrale Rolle in essentiellen Stoffwechselwegen und Signalkaskaden spielen, werden im Modellorganismus Daphnia zusätzlich MP-Effekte in einem holistischen und einem gewebespezifischen Ansatz auf der Ebene des Proteoms detailliert untersucht. Die erhaltenen Daten werden erheblich zur Aufklärung der Mechanismen negativer MP-Effekte auf diese Organismen beitragen.
Das Ziel dieser Studie ist zu verstehen, wie komplexe zeitliche und räumliche Prozesse die Biodiversität und funktionelle Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft im Hainich CZE steuern. Ebenso wollen wir die dafür verantwortlichen Mechanismen entschlüsseln. Wir werden zur Hypothesenbildung mathematische Nahrungsnetzmodelle simulieren, und wie in der mikrobiellen Gemeinschaft sich die Biodiversität, funktionelle Diversität und Ökosystemfunktion verhalten. Die Hypothesen werden anhand empirischer Felddaten getestet. Dafür werden wir Daten der verschiedenen AquaDiva Projekte aus der ersten und zweiten Phase synthetisieren und analysieren.
Globale Bedrohungen für die Biodiversität und die vielfältigen Ökosystemleistungen, die sie unterstützt, haben viele Forschungen über die Beziehung zwischen Biodiversität und der Funktionsweise von Ökosystemen motiviert. Diese Arbeit hat wesentliche Beweise dafür geliefert, dass die Biodiversität im Parzellenmaßstab mehrere Ökosystemfunktionen beeinflussen kann. Die meisten dieser Studien konzentrierten sich jedoch hauptsächlich auf die Auswirkungen der Biodiversität auf kleinen räumlichen Skalen auf Ökosystemfunktionen und nicht auf die Auswirkungen großräumiger Veränderungen der Biodiversität auf Ökosystemleistungen. Diese Lücke ist erheblich, da sich die Biodiversität auf allen räumlichen Ebenen verändert und zu einer großflächigen Homogenisierung führt. Die Berücksichtigung der Multiskalennatur der Biodiversität ist daher unerlässlich, wenn wir verstehen wollen, wie die Biodiversität Ökosystemleistungen untermauert. Neuere empirische Studien zeigten die Schlüsselrolle der umgebenden Pflanzenvielfalt bei der Unterstützung von Ökosystemleistungen. Diese Studien konzentrierten sich jedoch nur auf die Pflanzenvielfalt, während frühere Studien die Bedeutung der Biodiversität über mehrere trophische Ebenen hinweg aufzeigten, um das Funktionieren des Ökosystems zu unterstützen. Hier setzt das hier vorgeschlagene Projekt an. Das Multi-BEF Projekt zielt darauf ab, zu untersuchen, wie die umgebende Biodiversität mehrerer trophischer Ebenen (Bodenzersetzer-Mikroorganismen, Insektenfresser, Arthropoden-Raubtiere) die Bereitstellung mehrerer Ökosystemleistungen in Grasland beeinflusst. Insbesondere werden wir (i) die Auswirkungen der Landnutzungsintensivierung auf verschiedenen räumlichen Ebenen auf die Biodiversität der Landschaft identifizieren; (ii) merkmalsbasierte Ansätze verwenden, um die Mechanismen zu untersuchen, die der Reaktion der Biodiversität zugrunde liegen (z. B. Nischenpartitionierung, Ausbreitungsprozesse); (ii) Bewertung der Rolle der Landschaftsbiodiversität bei der Erbringung mehrerer Ökosystemleistungen.
Zu verstehen, wie anthropogene Faktoren Einfluss auf die Ernährungsökologie bedrohter Tierarten nimmt, stellt einen zentralen Ansatz dar, um Reaktionen auf Umweltveränderungen vorherzusagen und gefährdete Arten schützen zu können. Besonders für Bestäubungsinsekten wie Hummeln ist dieses Verständnis bedeutsam, da bei vielen dieser Arten große Rückgänge in ihren Beständen zu verzeichnen sind. Diese Entwicklung lässt sich womöglich zum Teil auf Mangel- und Fehlernährung zurückführen. Mithilfe dieser Forschungsarbeit möchten wir verstehen, wie die Ernährungsökologie von Bombus terrestris von Landnutzung und Infektionskrankheiten beeinflusst wird - Krankheiten sind ein zunehmendes Problem, da kommerzielle Imkerei die Verbreitung von Erregern begünstigt. Um dieses Verständnis zu erreichen, haben wir unsere Untersuchungen in drei Phasen eingeteilt. In der ersten Phase untersuchen wir die Interaktion von Aminosäuren und deren Einfluss auf B. terrestris’ Fitness und Nährstoffhaushalt. Dazu wenden wir eine hochmoderne Technik in der Ernährungsökologie an, das sogenannte ‘exome matching’. In diesem Verfahren lassen sich anhand von Sequenzdaten der individuelle Bedarf der Aminosäurezusammensetzung ableiten. Diese Erkenntnisse stellen eine Grundlage für unser Verständnis und die weitere Erforschung der Ernährungsökologie von Hummeln dar. Zudem wird in diesem Zuge das exome matching -Verfahren auf Hummeln optimiert. In Phase 2 werden wir uns der Frage widmen, in wie weit Aminosäuren mit den anderen beiden zentralen Nahrungskomponenten (Kohlenhydrate und Fette) interagieren und diese Interaktion Einfluss auf B. terrestris‘ Fitness und Immunität nimmt. Wir untersuchen die bevorzugte Nahrungszusammensetzung in gesunden Individuen und Hummeln, bei denen eine Immunantwort provoziert wurde. Dies wird uns durch die aussagekräftige Methode des ‚dietary mapping‘ ermöglicht, dem ‚Geometric Framework of Nutrition‘. Die Ergebnisse werden zeigen, wie sich die Aufnahme bestimmter Makronährstoffe auf die Fitness von Hummeln auswirkt und sich die Ansprüche an die Zusammensetzung der Nahrung durch eine Immunantwort verändern. In Phase 3 untersuchen wir, wie sich die unterschiedliche Zusammensetzung von Pollen in diversen landwirtschaftlichen Umgebungen auf das reale Nahrungssammelverhalten von Hummeln auswirkt. Dies gibt Aufschluss über den Einfluss von Landwirtschaft auf die Ernährung von Hummeln. Indem wir Daten aus dem Feld und Labor vereinen, können wir Schlüsse darüber ziehen, ob exome matching und Geometric Framework of Nutrition fundierte Vorhersagen über das Nahrungssammelverhalten von Hummeln in der Natur treffen können. Es soll gezeigt werden, wie Umweltveränderungen die Ernährungsökologie von Arten beeinflussen und so zu einer Beeinträchtigung von Ökosystemdienstleistungen wie der Bestäubung führen können. Das durch dieses Projekt generierte Wissen kann somit eingesetzt werden, um Bestäuberverluste zu reduzieren.
Viele räuberische Bodenmilben sind Generalisten und fressen diverse Nahrungsorganismen, was sie zu exzellenten Kandidaten für die biologische Schädlingsbekämpfung macht. Ihr Einfluss auf oberirdische Schädlinge ist gut bekannt; Raubmilben als natürliche Feinde für unterirdische Schädlinge sind dagegen wenig untersucht. Das geplante Projekt hat das Ziel das Nahrungsnetz in landwirtschaftlichen Böden, insbesondere die trophischen Beziehungen zwischen Mikroorganismen, freilebenden Nematoden (FLN) und Raubmilben, für die biologische Kontrolle von Wurzelgallnematoden (RKN) zu nutzen. Wir postulieren, dass FLN eine qualitativ hochwertige Nahrung (u.a. aufgrund ihres Gehaltes an omega 3 Fettsäuren) für Milben darstellen, welche die Fitness und damit die Biokontrolle durch diese Räuber erhöhen. Diese trophischen Interaktionen werden in vier Arbeitspaketen im Labor, Gewächshaus und Freiland untersucht. Salat dient als Modellpflanze, da alle in Israel und Palästina angebauten Sorten anfällig für RKN sind, was zu Ernteverlust führt. Kompost der Schwarzen Soldatenfliegenlarven (BSFL, Hermetia illucens) dient als Substrat zur Zucht der FLN sowie als organischer Dünger in den Experimenten. BSFL ist eine nachhaltige Lösung für das landwirtschaftliche Management von Tier- und Pflanzenabfall, mit Potential als Bodenverbesserer im ökologischen Landbau. Folgende Forschungsfragen sollen untersucht werden: 1) Welche FLN und Milbenarten kommen natürlicherweise gemeinsam in landwirtschaftlichen Flächen vor und bieten damit ein gutes Potential für die Biokontrolle? 2) Welche FLN Arten führen zur stärksten Erhöhung der Räuberfitness (z.B. Reproduktion, Biomasse) und stellen diese FLN, bei Anwesenheit von RKN, eine alternative Nahrung für Milben dar? 3) Welche getrennten und synergistischen Wirkungen haben die mit BSFL assoziierten Mikroorganismen, und deren Nematoden-Grazer, auf die Populationsdichte der Raubmilben, die Fitness der Pflanzen und die RKN Biokontrolle durch Milben? 4) Welchen Einfluss hat BSFL Ausbringung als landwirtschaftliche Praxis auf die Biokontrollfunktion der Milben sowie auf die Bodengesundheit, Pflanzenresistenz gegenüber Blattherbivoren und Ernteertrag? Die anvisierte Trilaterale Kooperation wird somit autochthone FLN und räuberische Bodenmilben für die Biokontrolle von RKN identifizieren, evaluieren und etablieren. Dies wird nachhaltige landwirtschaftliche Strategien fördern, welche von Erzeugern in Israel und Palästina angewandt werden können.
Nachhaltige Landwirtschaft agiert in einem Spannungsfeld zwischen Produktivität und Erhalt der Bodengesundheit. Kupfer wird in großem Umfang als Fungizid und Düngemittel eingesetzt, hat jedoch auch negative Auswirkungen auf die Bodengemeinschaft. Kupfertoxizität wird in der Regel durch Adsorption im Boden und Aufnahme durch Organismen erklärt, aber die Möglichkeit anderer toxischer Pfade, z. B. die Bildung von Radikalen, wird noch nicht in Betracht gezogen. Die Relevanz von Radikalen im Boden wurde zuvor in unseren Studien gezeigt, in denen Nanopartikel auf Kupferbasis bei sehr niedrigen, umweltrelevanten Konzentrationen negative Effekte auf Bodenorganismen hatten, einschließlich Reaktionen in deren antioxidativem System. Überraschenderweise war dies nur bei stark adsorbierenden, tonreichen Böden der Fall, die für die Landwirtschaft sehr relevant sind. Die Kombination von Kupfer und Ton in Böden ist in der Lage, reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zu bilden oder weit verbreitete polyaromatische Schadstoffe in umweltbeständige freie Radikale (EPFR) umzuwandeln, die negative Folgen für Bodenorganismen, aber auch für die menschliche Gesundheit haben können. Die Bildung dieser Radikale beruht auf Elektronentransferprozessen, bei denen Übergangsmetalle wie Kupfer oder Eisen (insbesondere in nanopartikulärer Form), Tonminerale und organische Stoffe als Quelle und/oder Transporteur von überschüssigen Elektronen dienen. Alle diese Stoffgruppen kommen natürlich im Boden vor, werden aber auch durch landwirtschaftliche Aktivitäten eingebracht. In diesem Projekt werde ich mehrere repräsentative Stoffgruppen kombinieren, die ein landwirtschaftliches Bodensystem simulieren und für die Radikalbildung relevant sind. Das radikalbildende Potenzial sowohl natürlicher als auch anthropogener Stoffe, d.h. verschiedener Arten von Ton- und Eisenmineralen, organischer Substanz und anthropogenem Kupfer, wird einzeln und in Kombination ermittelt. Die Radikalbildung wird chemisch untersucht, indem die ROS- und EPFR-Bildung in künstlichen Bodenlösungen und Böden gemessen wird, aber auch biochemisch und ökologisch anhand der antioxidativen und Fitness-Reaktion von Springschwänzen (Folsomia candida). Um die Laborergebnisse auf die Freilandsituation zu übertragen, werden die Faktoren, die im Labor als am auffälligsten identifiziert wurden, zur Identifizierung potenzieller radikalbildender Hotspots im Feld verwendet; dabei werden Podsole mit Fluvisolen (schwankendere Redoxbedingungen aufgrund ihrer Nähe zu Flüssen) im Hinblick auf die Korrelation zwischen ihren Bodeneigenschaften und dem Auftreten von ROS und EPFR verglichen. Die Identifizierung der Bodenfaktoren für die Radikalbildung im Labor und auf dem Feld wird Auswirkungen auf den Bodenschutz, die Risikobewertung von Nanopestiziden und die landwirtschaftliche Bewirtschaftung haben und direkte Empfehlungen für eine nachhaltige Bewirtschaftung des Bodens mit Hinblick auf deren Potenzial zur Radikalbildung ermöglichen.
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