In Phase I des Projekts A06 wiesen wir eine abnehmende Diversität in Protisten-Gemeinschaften unter Einwirkung multipler Stressoren nach und wir zeigten eine Verschiebung der Nahrungspräferenz von Protisten unter Salzstress in Bezug auf Proteobakterien und Actinobakterien. In Phase II werden wir uns auf die zugrundeliegenden Mechanismen konzentrieren, die zu den beobachteten Reaktionen der mikrobiellen Gemeinschaft und Verschiebungen der Nahrungspräferenzen führen, und diese Erkenntnisse auf die Erholung von Stressoren und insbesondere auf die Analyse der Auswirkungen von Dürre und der Erholung von Dürre ausdehnen.
Die Kopplung zwischen drei dominanten Gruppen von Bodenbakterien (Acidobacteria, Actinobacteria, Alphaproteobacteria), Pflanzen, Bodenbedingungen und Landnutzung soll aufgeklärt werden. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf (1) die Dynamik der funktionellen Kopplung zwischen aktiven Rhizosphärenbakterien und Pflanzen, (2) die spezifischen Funktionen von individuellen Bakterien beim Abbau von Wurzelexsudaten, Pflanzenstreu und Tierkadavern/Dung sowie (3) der zeitlichen Stabilität von mikrobiellen Gemeinschaften in der Rhizosphäre und nicht-durchwurzeltem Boden der Exploratorien. Die funktionelle Koppelung der Bakterien über den Kohlenstofffluss soll zeitlich hochaufgelöst mittels 13C-Pulsmarkierung von Wurzelexsudaten durch Captured RNA Isotope Probing (CARIP), sowie durch den Vergleich der Exsudatprofile mit der Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften mittels Hochdurchsatzsequenzierung aufgeklärt werden. Die individuelle funktionelle Rolle der Bakterien wird anhand der Aufnahme 13C-markierter Substrate mit nachfolgender Identifizierung der aktiven Phylotypen durch Stabile Isotopenbeprobung von RNA (SIP) sowie metagenomische und metatranskriptomische Ansätze untersucht. Die kurzfristigen Veränderung in der Zusammensetzung der Rhizosphärenbakterien und die jeweiligen Einflussgrößen werden analysiert. Langfristigere Effekte werden anhand von Hochdurchsatzsequenzierungen von 3 Probensätzen, die einen Zeitraum von 6 Jahren abdecken, ermittelt. Dies bietet die Gelegenheit, langfristigere Trends mit Änderungen in den Umweltparametern und in der Landnutzung zu analysieren.
Böden sind lebenswichtige Bestandteile terrestrischer Ökosysteme. Wie Energie- und Materieflüsse in Böden in Zusammenhang stehen mit der strukturellen und funktionellen Vielfalt des Bodenmikrobioms und seiner Wechselwirkung mit höheren trophischen Ebenen ist jedoch weitestgehend unverstanden. In diesem Antrag möchten wir eine synthetische mikrobielle Bodengemeinschaft verwenden, die die wichtigsten mikrobiellen Taxa und mikrobielle Predatoren im Boden wiederspiegelt, um Zusammenhänge zwischen dem Energie- und Materieeintrag in den Boden, der Struktur und Funktion des Bodenmikrobioms und den daraus resultierenden Energie- und Materieflüssen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde eine synthetische Bodengemeinschaft konzipiert, die aus 25 Repräsentanten der Proteobakterien, Acidobakterien, Actinobakterien, Bacteroidetes, Verrucomicrobia, Chloroflexi und Gemmatimonadetes sowie einem typischen Bodenascomyceten besteht. Predatoren werden durch bakterien- und pilzfressende Nematoden sowie bakterienfressende Myxobakterien vertreten sein. In Arbeitspaket (AP) 1 werden wir in einem multidisziplinären Großexperiment mit sechs weiteren SPP-Partnern Hypothese A des SPP testen: Das Mikrobiom moduliert die Energiefreisetzung und den Materieumsatz entlang verschiedener Energieverbrauchskanäle. Der Schwerpunkt dieses AP liegt auf der Auswirkung von bakterienfressenden Predatoren und der Konkurrenz zwischen ihnen auf die Struktur des Mikrobioms und dadurch modulierte Kohlenstoffflüsse, Kohlenstoffreservoirs und Wärmefreisetzung in einer synthetischen Bodengemeinschaft. Parallel dazu werden wir die Auswirkungen funktioneller Gruppen von Predatoren (bakterienfressende vs. pilzfressende) auf die Struktur des Mikrobioms, die Kohlenstoffflüsse und die Wärmefreisetzung in einer natürlichen Bodengemeinschaft identifizieren. In AP2 werden wir die synthetischen Bodengemeinschaft verwenden, um Hypothese B des SPP zu untersuchen: Energie- und Materieeintrag im Boden beeinflussen die biologische Komplexität. Hier wollen wir verstehen, wie Modellsubstrate mit unterschiedlicher Energieausbeute und Abbaubarkeit (Cellulose, Stärke) die Struktur der synthetischen Bodengemeinschaft mit und ohne Einfluss der Predatoren beeinflussen. Darüber hinaus werden wir untersuchen, wie das primäre Energiesubstrat die Expression chemischer Abwehrmechanismen zwischen Mikrobiom-Mitgliedern beeinflusst und sich somit indirekt auf die Kohlenstoffflüsse und -reservoirs sowie die Wärmefreisetzung auswirkt. Wir sind überzeugt, dass eine synthetische Bodengemeinschaft ein wesentlicher Schritt in Richtung eines konzeptionellen Verständnisses ökologischer Wechselwirkungen in Böden ist. Dieser systembiologische Ansatz wird ermöglichen zu verstehen wie das Bodenmikrobiom und höhere trophische Ebenen (AP1) sowie das primäre Energiesubstrat (AP2) Energie- und Kohlenstoffflüsse im Boden beeinflussen.
Das Forschungsvorhaben entstand aus der Forschungskooperation unserer beiden Arbeitsgruppen, die in den letzten Jahren auch durch die DFG im Rahmen von Arbeitsaufenthalten Dr. Ivanova s am HKI gefördert wurde. Das Ziel der Arbeiten ist die Untersuchung von Actinomyceten antarktischer Herkunft mit bekannter taxonomischer Zuordnung hinsichtlich ihres Bildungsvermögens für bekannte und neue Sekundärmetabolite unter Einsatz chromatografischer und instrumentalanalytischer Methoden (z.B. LC-MS, ESI-MS/CID-MS/MS). Folgende Ergebnisse werden erwartet:= Isolierung und Strukturaufklärung neuer bioaktiver Strukturen= Gewinnung von Aussagen über die genetischen Reserven antarktischer Actinomyceten bezüglich Bildung von Sekundärmetaboliten.= Gewinnung von Aussagen über die globale Verbreitung von Bildnern häufig vorkommender Sekundärmetabolite von Actinomyceten und Pilzen (z.B. Nactine, Polyether, Anthracycline und sesquiterpenoide Strukturen).
Im vorliegenden Projekt konzentrieren wir uns auf die Auswirkungen der drei Pflanzenmetaboliten Benzoxazolinon (BOA), Gramin und Quercetin auf die Struktur der Bakteriengemeinschaft in landwirtschaftlichen Böden. Während des vorherigen Förderzeitraums wurden die drei Metaboliten direkt dem Boden zugesetzt, und Änderungen der Bakterienzusammensetzung wurden durch Sequenzierung von PCR-Amplikons (next generation sequencing) ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Häufigkeit vieler Bakteriengattungen durch BOA, Gramin oder Quercetin verändert wurde. Die Behandlung mit BOA führte zu einer Zunahme der Häufigkeit von nur wenigen Gattungen, hauptsächlich Actinobacteria, während viele Gattungen verringert wurden. Andererseits verursachte die Behandlung mit Gramin und Quercetin den Anstieg vieler Proteobaktera. Zusätzlich wurden mehr als 110 Bakterienstämme isoliert und nach Behandlung mit den Pflanzenmetaboliten kultiviert. Die Stämme werden derzeit einzeln auf ihre Sensitivität gegenüber BOA, Gramin oder Quercetin getestet. Mehrere BOA-tolerante Bakterien können BOA in nitrierte oder nitrosylierte Verbindungen umwandeln, von denen einige polymerisiert werden können, um farbige Substanzen zu erzeugen. Ein Gramin-toleranter Stamm, Arthrobacter GB1, kann Gramin zu Indol-3-carbaldehyd und anderen Produkten abbauen. Wir werden nach den Genen, die am Graminabbau im Stamm GB1 beteiligt sind, suchen und diese charakterisieren. Darüber hinaus isolierten wir drei Stämme, die gegenüber Quercetin tolerant sind. Die bakterielle Plasmamembran stellt die erste Barriere der Bakterien gegen schädliche Pflanzenmetaboliten dar. Lipidanalysen zeigten, dass die Häufigkeit eines Diglycosyllipids in Gegenwart von Gramin in Arthrobacter GB1 stark erhöht war. Wir werden die Struktur und die Menge des Diglycosyllipids in GB1 analysieren, um die Funktion des zugrunde liegenden Lipid-Anpassungsprozesses zu verstehen. Wir werden Lipid-Veränderungen in anderen isolierten Bakterien untersuchen, die gegenüber BOA, Gramin oder Quercetin tolerant sind. Wir analysieren derzeit die Struktur der Abbauprodukte der Pflanzenmetaboliten und ihre Auswirkungen auf Arabidopsis und Gerste. Wir werden auch die wachstumsfördernden Eigenschaften der isolierten Stämme auf Arabidopsis oder Gerstenpflanzen testen.