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Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz im Unterboden

Das Wissen über die Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz in Böden der gemäßigten Breiten beschränkt sich bis auf wenige Ausnahmen auf die Oberböden (A-Horizonte und Auflagen). Hier finden sich die höchsten Konzentrationen der organischen Substanz. Jüngere Inventurarbeiten haben nun gezeigt, dass auch im Unterboden (B- und Cv-Horizonte) beträchtliche Mengen an organischer Substanz, allerdings in niedrigen Konzentrationen vorliegen. Ziel des geplanten Vorhabens ist es, (1) die Menge der organischen Substanz im Unterboden zu erfassen, (2) ihre Zusammensetzung und Herkunft zu bestimmen und (3) ihre Umsetzbarkeit zu erfassen. Daraus sollen Rückschlüsse auf die Stabilisierungsmechanismen der organischen Substanz im Unterboden gezogen werden. Nach einer Inventur der Bodenprofile an den SPP-Standorten (C-Gehalte, 14C-Alter) erfolgt die Erfassung der Zusammensetzung der organischen Substanz mittels Festkörper-13C-NMR-Spektroskopie. Die Zusammensetzung der Lipid-, Polysaccharid- und Ligninfraktion soll Hinweise auf die Herkunft der stabilisierten organischen Substanz differenziert nach oberirdischen, unterirdischen Pflanzenrückständen und mikrobiellen Resten geben. Abbauversuche unter kontrollierten Bedingungen im Labor und die Erfassung des 14C-Alters des freigesetzten CO2 sollen Aufschluß über die Umsetzbarkeit des 'jungen' und 'alten' C im Unterboden geben. Dabei werden jeweils die Profile über die gesamte Entwicklungstiefe betrachtet, um die Unterbodenhorizonte in Bezug zu den Oberböden und zu den Ergebnissen anderer AG im SPP zu setzen. Darauf aufbauend können dann in den nächsten Phasen des SPP die Eigenschaften der organischen Substanz im Unterboden und die Regulation der C-Umsetzungen im Unterboden untersucht werden.

Forschergruppe (FOR) 5315: Humusauflage: Funktionsweise, Dynamik und Vulnerabilität im Wandel, Teilprojekt: Bodenfauna als Steuergröße für die Architektur von organischen Auflagen

Bodentiere sind wichtige Steuergrößen für die Struktur und Dynamik der Humusauflage von Waldböden. Wir setzen moderne Methoden ein um zu untersuchen, welche Boden-Detritivoren-Taxa zur Verarbeitung von Waldstreumaterial beitragen. Die Analyse natürlicher Schwankungen von stabilen Isotopenverhältnissen, die Analyse von Lipiden und Aminosäuren in Detritivoren in Kombination mit Markierungsansätzen und experimentellen Manipulationen wird es ermöglichen, ihre Rolle bei der Bildung und Dynamik von Waldböden in bisher nicht erreichter Genauigkeit zu verstehen. Wir werden uns auf drei Detritivoren der Meso- (Collembola, Oribatida, Enchytraeidae) und Makrofauna (Lumbricidae, Diplopoda, Isopoda) konzentrieren. Entsprechend dem Gesamtkonzept der Forschergruppe werden 12 Standorte untersucht, die von Buchen dominiert werden, aber mit Ahorn und Fichte durchsetzt sind. Das Projekt umfasst drei Arbeitspakete: In Arbeitspaket 1 werden wir die Energie-Kanäle durch die wichtigsten Detritivoren-Taxa in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Nährstoffstatus der Waldbestände untersuchen. Als Grundlage des Nahrungsnetzes werden mikrobielle Gemeinschaften mit Hilfe von Phospholipid-Fettsäure-Markern untersucht. Die trophischen Nischen der Detritivoren werden durch natürliche Variationen stabiler Isotope sowie durch die Komponenten-spezifische Aminosäureanalyse untersucht. In Verbindung mit Messungen der Körpergröße wird die Kanalisierung basaler Ressourcen (Streu, Bakterien, Pilze) in Detritivoren-Taxa in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Nährstoffstatus der Waldbestände bestimmt.In Arbeitspaket 2 werden Mesokosmen, die es ermöglichen, den Zugang von Meso- und Makrofauna zu manipulieren, verwendet, um die langfristigen Auswirkungen dieser Detritivorengilden auf die Bildung und Dynamik von Humusauflagen von Waldböden zu bewerten. Die Verwendung von 13C- und 15N-markierter Streu wird es ermöglichen, die Verarbeitung von Streumaterial durch Detritivoren und deren Verteilung im Waldboden zu verfolgen. Komponenten-spezifische Fettsäureanalysen werden Aufschluss über die Wege geben, auf denen Streumaterial von Detritivoren aufgenommen wird, sowie über die langfristigen Auswirkungen der wichtigsten Detritivoren-Taxa auf die Dynamik von Humusauflagen von Waldböden in Abhängigkeit von Temperatur und Nährstoffstatus der Waldbestände. In Arbeitspaket 3 werden wir die Rolle detritivorer Bodentiere für die räumliche Verbreitung von Streumaterialien untersuchen. Die Verwendung von 15N-markierter Streu und die Messung ihrer Aufnahme durch detritivore Taxa wird Aufschluss über die horizontale und vertikale Ausbreitung von Streumaterialien und ihre zeitliche Dynamik geben. Insgesamt wird das vorgeschlagene Projekt neue Einblicke in die Funktionsweise von Boden-Detritivoren-Gemeinschaften und ihre Rolle bei der Bildung und Dynamik von Humusauflagen von Waldböden sowie ihre Variation mit der Temperatur und dem Nährstoffstatus von Waldbeständen ermöglichen.

Sonderforschungsbereich (SFB) 924: Molekulare Mechanismen der Ertragsbildung und Ertragssicherung bei Pflanzen; Molecular Mechanisms Regulating Yield and Yield Stability in Plants, Schwerpunktprogramm SFB 924: Molekulare Mechanismen der Ertragsbildung und Ertragssicherung bei Pflanzen - Teilprojekt B06: Systemische Immunität in Arabidopsis und Gerste - Aufgliederung von Unterschieden und Ähnlichkeiten

Ziel dieses Projekts ist es, Signalkomponenten der systemisch erworbenen Resistenz (SAR) in Arabidopsis thaliana und einer Mutante, eds1, welche nicht mehr in der Lage ist, SAR Signale zu produzieren oder zu transportieren, zu identifizieren. EDS1 abhängige Peptide, Lipide und polare niedermolekulare Stoffe werden mit massenspektrometrischen Methoden identifiziert. Danach wird in verschiedenen (Nutz)Pflanzen untersucht, ob die so identifizierten möglichen SAR Komponenten Resistenz gegen Krankheitserreger auslösen. Des Weiteren wird der Einfluss von SAR Signalen auf Prozesse wie z.B. Trockenresistenz untersucht.

COLIPI_II

Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz in Unterböden unter besonderer Berücksichtigung der Interaktion zwischen Mineralen und organischer Substanz

Das Wissen über die Menge, Zusammensetzung und Umsetzung der organischen Substanz in Böden der gemäßigten Breiten beschränkt sich bis auf wenige Ausnahmen auf die Oberböden (A-Horizonte und Auflagen) Hier finden sich die höchsten Konzentrationen der organischen Substanz. Jüngere Inventurarbeiten haben nun gezeigt, dass auch im Unterboden (B- und Cv-Horizonte) beträchtliche Mengen an organischer Substanz, allerdings in niedrigen Konzentrationen vorliegen. Ziel des geplanten Vorhabens ist es, (1) die Menge der organischen Substanz im Unterboden zu erfassen, (2) ihre Zusammensetzung und Herkunft zu bestimmen und (3) ihre Umsetzbarkeit zu erfassen. Daraus sollen Rückschlüsse auf die Stabilisierungsmechanismen der organischen Substanz im Unterboden gezogen werden. Nach einer Inventur der Bodenprofile an den SPP-Standorten (C-Gehalte, 14C-Alter) erfolgt die Erfassung der Zusammensetzung der organischen Substanz mittels Festkörper-13C-NMR-Spektroskopie. Die Zusammensetzung der Lipid-, Polysaccharid- und Ligninfraktion soll Hinweise auf die Herkunft der stabilisierten organischen Substanz differenziert nach oberirdischen, unterirdischen Pflanzenrückständen und mikrobiellen Resten geben. Abbauversuche unter kontrollierten Bedingungen im Labor und die Erfassung des 14C-Alters des freigesetzten CO2 sollen Aufschluss über die Umsetzbarkeit des 'jungen' und 'alten' C im Unterboden geben. Dabei werden jeweils die Profile über die gesamte Entwicklungstiefe untersucht, um die Ergebnisse der Unterbodenhorizonte in Bezug zu den Oberböden und zu den Ergebnissen anderer AG im SPP zu setzen. Darauf aufbauend können dann in den nächsten Phasen des SPP die Eigenschaften der organischen Substanz im Unterboden und die Regulation der C-Umsetzungen im Unterboden untersucht werden.

Umsatzraten und Herkunft von Lipiden in Ackerböden: Zeitlich aufgelöste strukturelle und isotopische Charakterisierung der Lipidfraktionen einer natürlich markierten Schwarzerde

Lipide haben wahrscheinlich große Bedeutung für die Stabilisierung organischer Substanz in Böden, sie wurden aber bisher mittels moderner strukturchemischer und isotopischer Methoden nur wenig untersucht. Durch die Kombination dieser Methoden sollen erstmals gleichzeitg Aussagen über Herkunft (Pflanzen, Bakterien, Pilze) und Umsatzraten (d13C) der Lipide auf molekularer Ebene ermöglichen. Der Nutzungswechsel von Roggen- (C3-) zu Mais-Monokultur (C4-Pflanze) markierte die zugeführte Biomasse strukturell und isotopisch. Die Nutzung von Rückstellproben ermöglicht eine über vier Jahrzehnte zeitlich aufgelöste Auswertung dieses landwirtschaftlichen Freilandversuchs. Die Lipide sollen mit einer Kombination moderner struktureller, spektroskopischer und isotopischer Analysetechniken der Bodenchemie, organischen Geochemie und Biochemie untersucht werden. Untersuchungen sollen an Gesamtböden und ausgewählten PartikelgrößenFraktionen erfolgen. Die Bodenlipide werden erstmalig über eine automatisierte sequentielle Flüssigkeitschromatographie in folgende Fraktionen getrennt: a) Aliphaten, b) Ketone/Alkohole, c) Fettsäuren, d) Aromaten, e) basische Lipide und f) hochpolare Biopolymere. Diese Fraktionen sollen anschließend strukturell identifiziert (13C NMR, GC-MS) und die Fraktionen a) bis c) gesamt- und komponentenspezifisch (GC-irmMS) d 13C-isotopisch charakterisiert werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, Mikrobielle Umsetzung von Phosphor in Waldböden in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor

Bodenmikroorganismen können Phosphor (P) sowohl mobilisieren als auch immobilisieren und beeinflussen daher stark die P-Verfügbarkeit für Pflanzen. In diesem Projekt stellen wir die Hypothese auf, dass das Verhältnis vom mikrobiellen P zum labilen P, mit der Entwicklung von P erwerbenden zu P recycelnden Ökosystemen zunimmt. Mikrobielle und pflanzliche P-Aufnahme wird mittels 33P untersucht, der in pflanzlicher und mikrobieller Biomasse und in pflanzlichen und mikrobiellen Lipiden quantifiziert wird. In welchem Maß Mikroorganismen P während des Abbaus von organischer Bodensubstanz mineralisieren und immobilisieren, wird mit einem 14C/33P markiertem Monoester überprüft. Die saisonale Dynamik von tatsächlicher und potentieller P-Mobilisierung (33P-Verdünnung und Phosphatase-Aktivität) und mikrobieller P-Immobilisierung wird anhand von Böden, die den Übergang von erwerbenden zu recycelnden Ökosystemen repräsentieren, analysiert. Darüber hinaus wird der Beitrag des P aus der organischen Auflage zum mikrobiellen P anhand eines Feldexperiments untersucht. Die räumlichen Muster mikrobieller und pflanzlicher P-Mobilisierung in der Rhizosphäre werden anhand der Verteilung von saurer und alkalischer Phosphatase-Aktivität (Boden-Zymographie) und Rhizodeposition (14C-Imaging) analysiert.

Konsequenzen der Massenvermehrung phytophager Insekten für Ökosystem-Funktionen auf verschiedenen Zeitskalen in Kiefernwäldern Nordost-Deutschlands; Auswirkungen von Massenvermehrungen phytophager Insekten auf biogeochemische Prozesse und mikrobiologische Aktivitäten in Baumkronen und Böden

Insektenkalamitäten können Menge und chemische Zusammensetzung von gelöster und partikulärer organischer Substanz (DOM, POM) innerhalb des Transfers zwischen Baumkronen und Boden verändern. Dies kann mikrobielle Aktivitäten in der Phyllosphäre und im Boden beeinflussen, was zu veränderten C und N Umsätzen führt. Projektziel ist, die C und N Verbindung zwischen Kronenraum und Boden in 60-jährigen Kiefernwäldern (Pinus silvestris L.) unter Insektenbefall zu untersuchen. Um die Hypothese zu testen, dass Massenvermehrung von herbivoren Insekten den C und N Umsatz in Kiefernwäldern steigert, wird (1) der Eintrag quantifiziert: DOM und POM Flüsse vom Kronenraum in den Boden, (2) Mechanismen bewertet: Effekte durch leicht- und schwerabbaubare Verbindungen in DOM und POM (Phenole, Lipide, Kohlenhydrate, Proteine, freie Aminosäuren) auf Kronen- und Bodenmikroorganismen (mikrobielle Biomasse, Enzymaktivitäten), sowie biogeochemische Prozesse (C-Mineralisierung) im Boden und (3) Konsequenzen quantifiziert: Treibhausgasemissionen (THG) und flüchtige organische Verbindungen (VOCs) vom Boden. Veränderte C und N Pfade werden über neu entwickelte Algorithmen modelliert, um langfristige Auswirkungen auf ökosystemarer Ebene abzuschätzen. Damit wird der Kurzschluss zwischen erhöhter DOM und POM Produktion im Kronenraum durch Herbivore einerseits, mit C und N Einträgen im Boden und Umsatzprozesse andererseits analysiert und modelliert.

SP1.1 Dynamische Anreicherungsprozesse von organischer Substanz in der SML

Der Oberflächenfilm (SML) ist die oberste dünne Schicht des Ozeans und Teil jeglicher Wechselwirkung zwischen Luft und Meer, wie Gasaustausch, atmosphärische Deposition und Aerosolemission. Die Anreicherung von organischer Materie (OM) in der SML modifiziert die Luft-Meer-Austauschprozesse, aber welche OM-Komponenten selektiv angereichert werden, sowie warum und wann sie dies tun, ist weitgehend unbekannt (Engel et al., 2017). Unsere bisherige Forschung hat gezeigt, dass Biopolymere aus photoautotropher Produktion wichtige Komponenten der SML sind und den Luft-Meer-Austausch beeinflussen, indem sie als Biotenside (Galgani et al., 2016; Engel et al., 2018) und als Quelle primärer organischer Aerosole (Trueblood et al., 2021) wirken. Die Motivation unseres Projektes ist es daher, die dynamischen Anreicherungsprozesse von OM in der SML aufzuklären und zu beschreiben, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Auflösung der OM-Quellen liegt. Mit unserem Modellierungsansatz ist es das Ziel, unser mechanistisches Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Wachstumsbedingungen des Planktons, der Produktion und der Freisetzung von Biomolekülen, einschließlich potentieller Tenside, und der Akkumulation von OM in der SML zu konsolidieren. Eine solche Modellentwicklung wird in hohem Maße von den Ergebnissen und Erkenntnissen der verschiedenen Teilprojekte des BASS-Konsortiums profitieren. Umgekehrt ist es unsere Motivation, ein Modell zu etablieren, das als Synthesewerkzeug für die Interpretation und Integration von Feld-, Mesokosmen- und Labormessungen der OM-Anreicherung in der SML anwendbar wird.Relevanz für die Forschungsgruppe BASS - SP1.1 wird die Quellen, die Menge und die biochemische Zusammensetzung von OM in der SML entschlüsseln und damit wichtige Informationen für alle BASS-Teilprojekte liefern. Der primäre Ursprung von OM im Oberflächenozean ist die photosynthetische Produktion und die wichtigsten biochemischen Komponenten von frisch produzierter OM, d.h. Kohlenhydrate, Aminosäuren und Lipide, unterliegen der mikrobiellen Verarbeitung (SP1.2) und Photoreaktionen innerhalb der SML (SP1.3, SP1.4) und füllen auch den Pool der gelösten organischen Substanz (DOM) auf (SP1.5). Die Modellentwicklung in SP1.1 stellt eine Verbindung zwischen der Produktion von OM und ihrer Anreicherung innerhalb der SML her und zielt darauf ab, die entsprechenden Auswirkungen auf den Luft-Meer-Gasaustausch (SP2.1) zu bestimmen, indem Änderungen des Impulsflusses auf den Ozeanoberflächenschichten (SP2.2) sowie des Auftriebs (SP2.3) berücksichtigt werden. Das vorgeschlagene SML-Submodell wird auf der Grundlage der Ergebnisse aus SP1.4 und SP2.3 verfeinert. Ergebnisse aus den Modellsensitivitätsanalysen werden ergänzende Informationen über oberflächenaktive Eigenschaften verschiedener OM Komponenten und deren Auswirkungen auf Luft-Meer-Austauschprozesse liefern, die innerhalb von BASS ausgewertet werden.

Untersuchung neuer, polarer Lipidsingale in Plankton Interaktionen

Etwa die Hälfte der weltweiten Primärproduktion erfolgt durch Phytoplankton und dessen Jäger-Beute-Interaktionen mit Zooplankton bilden die Grundlage der gesamten ozeanischen Nahrungskette. Die chemischen Signale, die diese Interaktionen vermitteln, sind bisher größtenteils unbekannt. Vor kurzem konnte die Arbeitsgruppe von Erik Selander erstmals eine Gruppe solcher chemischer Signale identifizieren, die Copepodamide. Copepodamide spielen eine entscheidende Rolle in der Interaktion von Ruderfußkebsen (Copepoda) als marine, zooplanktonische Räuber mit verschiedenen Phytoplanktonspezies, wie der Gattung Alexandrium, welche an der Entstehung der schädlichen Algenblüte beteiligt ist. Die vollständige Funktion von Copepodamiden und deren Wahrnehmung durch Phytoplankton ist jedoch noch weitestgehend unbekannt. Das geplante Forschungsprojekt konzentriert sich auf zwei Hauptziele. Das erste Ziel ist die Identifizierung weiterer, neuer Copepodamide und die Untersuchung spezifischer Copepodamidmuster in verschieden Copepodspezies. Für diesen Zweck ist die Anwendung eines breiten Spektrums chemischer Separations- und Detektionstechniken geplant. Das gastgebende Institut besitzt dazu eine einmalige Kombination aus Ausrüstung, Ausstattung und Wissen um dieses Projekt zu unterstützen und ermöglicht ein tiefgreifendes Training in chemischer Ökologie und NMR-Techniken. Das zweite Ziel ist die Identifikation von Copepodamid-Rezeptorproteinen in den Phytoplanktonspezies Alexandrium tamarense und Skeletonema marioni. Dazu soll zum einen in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Julia Kubanek (Georgia Tech, Atlanta, USA) eine Kombination aus zell-basierten Assays und Elektrophysiologie angewendet werden. Um diese Methoden zu erlernen, ist ein Besuch der Arbeitsgruppe von Julia Kubanek vorgesehen. Des Weiteren sollen Phagen-Display und Protein-Affinitäts-Chromatografie angewendet werden, um die Copepodamid-Rezeptorproteine sowie deren genomische Sequenz zu identifizieren.Die Jäger-Beute-Interaktionen zwischen Zooplankton und Phytoplankton sind von entscheidender Bedeutung für das ökologische Gleichgewicht der Ozeane. Vornehmlich werden diese Interaktionen durch chemische Signale reguliert. Die Identifizierung dieser Signale sowie der entsprechenden Rezeptoren liefert einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis planktonischer Interaktionen. Zudem hat das geplante Forschungsprojekt das Potential als ein Meilenstein bei der Entschlüsselung der einflussreichen, bisher jedoch unbekannter, chemischer Sprache der Ozeane zu dienen.

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