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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.

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.

Der Zusammenhang zwischen Biodiversität und Ökosystemfunktionen in heterotrophen aquatischen Systemen unter Stress

Allochthones organisches Material, wie Falllaub, ist eine zentrale Nährstoff- und Energiequelle für aquatische Ökosysteme. Diese werden durch die Aktivität von Mikroorganismen, im Speziellen aquatische Pilze, für das aquatische Nahrungsnetz zugänglich. Die Pilze tragen zum Einen durch die Produktion von Enzymen direkt zum Falllaubabbau bei. Zum anderen erhöhen sie die Konzentration an Lipiden und Proteinen auf dem Laub und stimulieren somit den Fraß von Zerkleinerern, wodurch sie indirekt zum Laubabbau beitragen. Die Zusammensetzung der Pilzgemeinschaft wird jedoch durch Stressoren anthropogenen Ursprungs beeinflusst, wodurch auch die Fähigkeit der Gemeinschaft beeinträchtigt wird, diese beiden Funktionen wahrzunehmen. In Anlehnung an das Konzept der Verschmutzungsinduzierten Toleranz einer Gemeinschaft, werden aufgrund von Stressoren sensitive durch tolerante Spezies ersetzt, wodurch sich die Toleranz der Gemeinschaft erhöht. Diese erhöhte Toleranz kann stressor-spezifisch sein. In diesem Zusammenhang untersucht das vorliegende Projekt die Toleranz von unbeeinflussten Gemeinschaften relativ zu Gemeinschaften, welche entweder an Mischungen von organischen Mikroverunreinigungen und Nährstoffen (Abwassereinleitung) oder an Fungizide (Weinbau) angepasst sind. Die Effizienz dieser Gemeinschaften Falllaub abzubauen, wird unter zunehmenden Konzentrationen von Nährstoffen und Fungiziden in einem voll-faktoriellen laborbasiertem Testverfahren untersucht. Durch die gleichzeitige Betrachtung der Eigenschaften einzelner Pilzarten (z.B. Enzymaktivität, Amino- und Fettsäurenzusammensetzung) strebt BIO2FUN an die zugrundeliegenden Mechanismen aufzudecken. Darüber hinaus können erste Abschätzungen zu möglichen 'bottom-up' gerichteten Auswirkungen auf die nächst höhere trophische Ebene, den Zerkleinerern, abgeschätzt werden. Diese werden durch Fütterungsexperimente, welche physiologische Reaktionen der Zerkleinerer untersuchen, verifiziert. Damit kann das vorliegende Projekt als Meilenstein für der Interpretation von zukünftigen Studien betrachtet werden, die sich der Rolle aquatischer Pilze in heterotrophen Nahrungsnetzen widmen.

Haushalt und Flüsse des wurzelbürtigen Kohlenstoffs in Nahrungsketten

Rhizodeposition der Pflanzen ist eine wichtige primäre Kohlenstoff- (C) und Energiequelle für Bodenorganismen. Die Ziele dieses Projektes sind die Abschätzung des C-Eintrages durch Mais in den Boden, die Verfolgung des wurzelbürtigen C in der ganzen Nahrungskette im Boden und die Aufstellung von C-Bilanzen. Mais wird in der 13CO2- und 14CO2-Atmosphäre markiert, um zwischen den wurzelbürtigen und bodenbürtigen C zu unterscheiden und den Haushalt des wurzelbürtigen C zu bestimmen. Der Einbau von wurzelbürtigem C in Mikroorganismen, Nematoden, Collembolen und Predatormakrofauna wird quantifiziert. 14C-Phosphor-Imaging der Wurzel ermöglicht es Hotspots der Rhizodeposition und der Exsudation zu lokalisieren. 13C-Pulsmarkierung wird die Empfindlichkeit der Koppelung des 13C mit Biomarker der Bakterien und Pilze (PLFA, Ergosterol) und Collembolen (neutrale Lipide) wesentlich erhöhen. Die Verzögerung zwischen der Photoassimillation der Pflanze, Wurzelexsudation in die Rhizosphäre und Einbau vom wurzelbürtigen C in die einzelnen Organismen wird bestimmt. Dies wird die Aufstellung und Modellierung des C-Flusses durch die Nahrungsketten im Boden ermöglichen. Durch mehrfache 13C-Pulsmarkierung von Mais wird eine hohe 13C-Anreicherung der Mikroorganismen erreicht, um anschließend die aktivsten Spezies in der Rhizosphäre mit Hilfe von Stable Isotope Probing (SIP) zu bestimmen.

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.

Forschergruppe (FOR) 5116: Kommunikation in der Wirtspflanzen-Mikroben-Interaktion durch extrazelluläre RNA, Teilprojekt: Charakterisierung des Pilz-ausgelösten cross-kingdom RNAi in der arbuskulären Mykorrhizasymbiose

Arbuskuläre Mykorrhiza (AM) ist eine Symbiose zwischen etwa 80 % der Landpflanzen und Pilzen der Glomeromycotina, die auf dem Austausch von Nährstoffen beruht. Die Pilze erhalten von der Pflanze organischen Kohlenstoff in Form von Zuckern und Lipiden. Im Gegenzug liefern sie der Pflanze mineralische Nährstoffe und fördern so die Produktivität und Gesundheit der Pflanze. Damit die Symbiose ausgebildet werden kann, müssen die Wurzeln besiedelt werden. Die Besiedlung der Wurzeln durch AM-Pilze ist ein mehrstufiger Prozess, der durch einen pflanzlichen Signalweg gesteuert wird, der der Kompatibilität zwischen den Symbiosepartnern zugrunde liegt. Chitinfragmente und andere mögliche kleine Moleküle, die von den Pilzen freigesetzt werden, können jedoch kurzfristige Abwehrreaktionen auslösen, die unterdrückt werden müssen, um eine symbiontische Besiedlung zu ermöglichen. Es wurde gezeigt, dass pathogene Pilze und Oomyceten kleine RNAs in Pflanzenzellen einschleusen können, um silencing von Immunitätsgenen auszulösen, ein Phänomen, welches als cross-kingdom-RNAi bezeichnet wird. Anhand der Modell-Leguminose Lotus japonicus und des Modell-AM-Pilzes Rhizophagus irregularis haben wir Hinweise dafür gefunden, dass cross-kingdom-RNAi auch in der AM-Symbiose auftritt. Hier wollen wir verstehen: i) welche Pilzstrukturen und Pflanzenzelltypen an Cross-Kingdom-RNAi in der AM-Symbiose beteiligt sind und ii) welche Rolle der Pflanzengene, gegen die die sRNAs der Pilze gerichtet sind in der Symbiose spielen können. Für AM Pilze wurde bisher keine Wirtsspezifität beschrieben, und es stellt sich die Frage, ob cross kingdom RNAi dazu beiträgt, dass AM Pilze ein breites Spektrum von Wirtspflanzen besiedeln können. Daher wollen wir untersuchen, ob iii) eine AM Pilz Art bei der Besiedlung zweier unterschiedlicher Wirtspflanzen die gleichen oder unterschiedliche sRNAs produziert und ob diese sRNAs auf orthologe Gene abzielen.

14C content of specific organic compounds in subsoils

Organic matter (OM) composition and dynamic in subsoils is thought to be significantly different from those in surface soils. This has been suggested by increasing apparent 14C ages of bulk soil OM with depth suggesting that the amount of fresh, more easily degradable components is declining. Compositional changes have been inferred from declining ä13C values and C/N ratios indicative for stronger OM transformation. Beside these bulk OM data more specific results on OM composition and preservation mechanisms are very limited but modelling studies and results from incubation experiments suggest the presence and mineralization of younger, 'reactive carbon pool in subsoils. Less refractory OM components may be protected against degradation by interaction with soil mineral particles and within aggregates as suggested by the very limited number of more specific OM analysis e.g., identification of organic compound in soil fractions. The objective of this project is to characterize the composition, transformation, stabilization and bioavailability of OM in subsurface horizons on the molecular level: 1) major sources and compositional changes with depth will be identified by analysis of different lipid compound classes in surface and subsoil horizons, 2) the origin and stabilization of 'reactive OM will be revealed by lipid distributions and 14C values of soil fractions and of selected plant-specific lipids, and 3) organic substrates metabolized by microbial communities in subsoils are identified by distributional and 14C analysis of microbial membrane lipids. Besides detailed analyses of three soil profiles at the subsoil observatory site (Grinderwald), information on regional variability will be gained from analyses of soil profiles at sites with different parent material.

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.

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