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Trophische Interaktionen der Mikro- und Mesofauna des Bodens - Lipide und N-Isotopenverhältnis als Indikatoren

Die Nahrungsstrategien vieler Bodentiere, insbesondere der Mikrofauna, sind nur unzureichend bekannt. Meist erfolgt eine generelle Einteilung nach vorwiegend morphologischen Kriterien. Nahrungsnetzanalysen und Modelle verlangen jedoch nach einer genauen trophischen Klassifizierung. Im geplanten Forschungsprojekt werden zwei biochemische Methoden eingesetzt: Phospholipidfettsäuren als Biomarker für den Transfer von Kohlenstoff in der Nahrungskette und das 15N/14N-Isotopenverhältnis als Indikator für die trophische Stellung der Bodenfauna. Vergleichende Analysen sollen Aufschluss geben über Herkunft und trophische Anreicherung von Stickstoff und Fettsäuren, sowie physiologische Aspekte (z.B. Biosynthese) untersuchen. In Mikrokosmen werden hierzu Nahrungsketten simuliert (Mikroflora (Bakterien, Pilze), Sekundärzersetzer (Nematoden), Räuber (Milben, Collembolen). Daneben erfolgen Manipulationen des physiologischen Stoffwechselzustandes (Proteingleichgewicht, Nahrungsmangel) und Untersuchungen an Freilandfauna. Die zugrunde liegenden biochemischen und physiologischen Mechanismen der trophischen Anreicherung von 15N in einer Nahrungskette wurden bisher nur in wenigen kontrollierten Laborstudien untersucht. Zudem sind Fettsäuremuster von Bodentieren kaum bekannt. Letztere zur Klassifizierung von Nahrungsstrategien zu nutzen, bietet einen neuen und viel versprechenden Ansatz zur Analyse von Bodennahrungsnetzen.

Optimierung chemisch-ökologisch vermittelter Resistenz gegen den Rapsglanzkäfer und deren Introgression in den Raps, Teilvorhaben 2: Bioassays und chemische Charakterisierung

Züchtung von Apfelsorten mit Resistenz gegenüber Klima-bedingtem Stress, Teilprojekt D

Die deutsche Apfelproduktion steht vor einer Vielzahl an Herausforderungen. Nachhaltige Produktion oder auch Ökologisierung der Landwirtschaft und Resilienz gegenüber Auswirkungen des Klimawandels sind nur einige der Forderungen, denen sich die Produzenten neben der wachsenden internationalen Konkurrenz am Markt stellen müssen. Um diesen Forderungen gerecht zu werden und in Deutschland alle Kräfte zu fördern, die sich mit Apfelzüchtung befassen, wird ein Verbund aus institutionellen Züchtern und vielen der derzeit existierenden privaten Züchtungsinitiativen, der Fachgruppe Obstbau im Bundesausschuss Obst und Gemüse und der Fördergemeinschaft Ökologischer Obstbau e.V. (FOEKO) angestrebt, der sich den Herausforderungen gemeinsam stellen will. Dieser Verbund setzt sich als erstes Ziel die Realisierung des Projektes ApRésKlimaStress. In ApRésKlimaStress sollen durch phänotypische Evaluierungen und die Genotypisierung genetischer Ressourcen bei Apfel neue Quellen für Mehltau- und Schorfresistenz identifiziert werden, da nur wenig Resistenzen zur Verfügung stehen, die noch nicht gebrochen sind. Für die Bekämpfung dieser klimarelevanten Schaderreger sind im Erwerbsobstbau bis zu 20 Pflanzenschutzmittelbehandlungen pro Saison notwendig, was den ökologischen Fußabdruck der Produktion deutlich erhöht. Die Züchtung von Sorten mit pyramidisierten Resistenzen gegenüber beiden Schaderregern auch unter Nutzung kolumnarer Apfelsorten, die eine erhöhte Resilienz gegenüber Trockenstress ermöglichen, wird als Möglichkeit gesehen den oben genannten Herausforderungen zu begegnen. Als weitere Resistenzquelle wird auch die Nichtwirtsresistenz von Apfel/Birnenhybriden evaluiert. Ziel ist die Entwicklung von kostengünstigen und einfach umsetzbaren molekularen Markers: KASP-Assays, die von allen Partnern unabhängig, je nach der eigenen Züchtungsstrategie kombiniert und genutzt werden können. Die Umsetzung der Analysen kann dann bei unabhängigen Anbietern beauftragt werden.

Funktionelle Stabilität eines maßgeschneiderten N-fixierenden Mikrobioms unter sich verändernden Umweltbedingungen

Die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion ist ein ressourcenintensiver Prozess, der durch den Klimawandel zunehmend beeinträchtigt wird. Lösungen für eine nachhaltigere und widerstandsfähigere Art der Pflanzenproduktion sind daher dringend erforderlich. Pflanzenwurzeln sind ein Lebensraum für hochkomplexe mikrobielle Gemeinschaften, und Pflanzen profitieren von intimen Interaktionen mit diesen Mikroben. Einige Mikroben vermitteln nicht nur die Toleranz gegenüber Klimastress, sondern können auch die Pflanzenernährung verbessern. Während es den Nutzen von Mikroben für die Aufrechterhaltung der Pflanzenproduktion anzeigt, erfüllen Feldanwendungen mit einzelnen nützlichen Mikroben oft nicht ihre nützlichen Aktivitäten, die unter Laborbedingungen beobachtet werden. In vorangegangenen gemeinsamen Studien haben wir festgestellt, dass das knötchenbildende Bakterium Sinorhizobium meliloti WSM1022 die Leguminose Medicago truncatula in verschiedenen Bodentypen sehr effizient mit Stickstoff (N) versorgt. Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass WSM1022 das Wurzelmikrobiom modulieren können, um ein Mini-Mikrobiom zu bilden, das wir zusammen mit WSM1022 als N-Biom definiert haben. Zusätzlich zur Unterstützung der N-Fixierung scheint das N-Biom weitere nützliche Effekte auf M. truncatula zu übertragen. In diesem Projekt wollen wir die Robustheit des N-Bioms und der Symbiose von M. truncatula unter verschiedenen N-Regimen und Trockenheit als vorherrschenden Klimastress im Gewächshaus mit Ackerboden evaluieren. Wir werden die Effizienz der Knötchenbildung und N-Fixierung, des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung sowie die Expression von Symbiose- und Trockenstress-Markergenen quantifizieren, um die funktionelle Robustheit der N-Biom-M. truncatula-Symbiose zu bewerten. Darüber hinaus werden wir genomweite Assoziationsstudien durchführen, um genetische Merkmale von M. truncatula zu identifizieren, die die Etablierung des N-Bioms unter Trockenstress unterstützen. Alle Experimente werden von Wurzelmikrobiomanalysen begleitet, um die Integrität des N-Bioms oder eventuell der Erweiterung seiner Funktion durch die Rekrutierung zusätzlicher nützlicher Mikroben unter diesen sich verändernden Umgebungen zu bestimmen. Unser Projekt hat zum Ziel, das N-Biom als biologische Applikationseinheit für zukünftige Feldanwendungen zu entwickeln.

Untersuchung der natürlichen Antagonisten des Eichenprozessionsspinners in Deutschland

Im Verbundprojekt werden die Vielfalt an EPS-Pathogenen und EPS-Parasiten, -Parasitoiden und -Prädatoren, wie auch die Intensität des Befalls in verschiedenen Entwicklungsstadien des EPS und in unterschiedlichen standörtlichen und klimatischen Bedingungen systematisch erfasst. In unserem Teilvorhaben (TP1) wird die genetische Ausstattung der EPS-Populationen untersucht. In einem Transekt von Norden bis Süden Deutschlands werden EPS befallene Gebiete als Versuchsflächen von allen Projektpartnern gemeinsam ausgesucht. Diese Gebiete sollen möglichst unterschiedliche klimatische/standörtliche Bedingungen, wie auch eine unterschiedliche Kalamitätsgeschichte, darstellen, damit möglichst viele Faktoren, bei der Auswertung der genetischen Strukturen der EPS-Populationen berücksichtigt werden können. Diese EPS-Populationen werden mittels molekulargenetischer Marker genetisch untersucht. Dabei werden zwei mitochondrialer Gene (COI und COII) sequenziert um Differenzen zwischen EPS-Individuen festzustellen. Weiterhin werden nukleare Mikrosatelliten Marker (SSRs) angewendet, um die genetische Variabilität innerhalb und die genetische Differenzierung zwischen Populationen zu erfassen. In diesem Schritt werden bekannte, erfolgreiche SSRs aus dem Pinien- auf den Eichenprozessionsspinner übertragen. Die am besten funktionierenden und variablesten SSRs werden für die Erfassung der genetischen Strukturen der EPS-Populationen verwendet. Sowohl die Sequenzierung der COI-Gene als auch die Fragmentanalyse der SSRs werden mittels Kapillarlektrophorese an einem DNA-Sequenzer durchgeführt. Die räumlichen genetischen Strukturen und die phylogenetische Bäume werden in Zusammenhang mit den standörtlichen/klimatischen/Kalamitätsgeschichtlichen Faktoren Auskunft über die Abstammung/Entstehung der Populationen geben. In der Gesamtauswertung im Verbundprojekt wird die genetische Diversität der EPS-Populationen mit der Vielfalt der Antagonistenvielfalt und die Befallsidensität korreliert werden.

Linking nutrient cycles, land use and biodiversity along an elevation gradient on Mt. Kilimanjaro

To understand impacts of climate and land use changes on biodiversity and accompanying ecosystem stability and services at the Mt. Kilimanjaro, detailed understanding and description of the current biotic and abiotic controls on ecosystem C and nutrient fluxes are needed. Therefore, cycles of main nutrients and typomorph elements (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Si) will be quantitatively described on pedon and stand level scale depending on climate (altitude gradient) and land use (natural vs. agricultural ecosystems). Total and available pools of the elements will be quantified in litter and soils for 6 dominant (agro)ecosystems and related to soil greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4). 13C and 15N tracers will be used at small plots for exact quantification of C and N fluxes by decomposition of plant residues (SP7), mineralization, nitrification, denitrification and incorporation into soil organic matter pools with various stability. 13C compound-specific isotope analyses in microbial biomarkers (13C-PLFA) will evaluate the changes of key biota as dependent on climate and land use. Greenhouse gas (GHG) emissions and leaching losses of nutrients from the (agro)ecosystems and the increase of the losses by conversion of natural ecosystems to agriculture will be evaluated and linked with changing vegetation diversity (SP4), vegetation biomass (SP2), decomposers community (SP7) and plant functional traits (SP5). Nutrient pools, turnover and fluxes will be linked with water cycle (SP2), CO2 and H2O vegetation exchange (SP2) allowing to describe ecosystem specific nutrient and water characteristics including the derivation of full GHG balances. Based on 60 plots screening stand level scale biogeochemical models will be tested, adapted and applied for simulation of key ecosystem processes along climate (SP1) and land use gradients.

Bilanzierung des Beitrags mikrobieller Biomasse zur Bildung refraktärer organischer Substanz im Boden mittels Isotopentracertechniken (Zellen, Zellbestandteile, CO2 und NH4)

Beim mikrobiellen Umsatz von organischen Verbindungen wird ein beträchtlicher Anteil des Kohlenstoffs zunächst zum Aufbau von Biomasse durch Bakterien genutzt. Diese Biomasse unterliegt nach ihrem Absterben wieder einem Abbau durch andere Mikroorganismen. In diesem Prozess werden Fragmente der abgestorbenen Zellen entweder selbst wieder zum Substrat für andere Organismen oder direkt in der Bodenmatrix festgelegt. Damit tragen sie substanziell zur Bildung der organischen Bodensubstanz (SOM) bei. Im Rahmen der geplanten Arbeiten sollen vorwiegend durch Markierungsexperimente mit stabilen und radioaktiven Isotopen die mikrobiellen Umsatzraten und die Bildung von Huminstoffen aus bakterieller Biomasse und fraktionierten Zellbestandteilen wie auch aus mikrobiellen Mineralisationsprodukten wie CO2 und NH4 in Modellböden des Schwerpunktprogrammes detailliert untersucht werden. Dazu wird die Transformation isotopisch markierter Biomassebestandteile (14C; 13C; 15N) in Bodenbioreaktoren untersucht. Die festgelegten und umgewandelten Produkte der markierten Biomasse sollen in den verschiedenen Partikel- und Huminstofffraktionen des Bodens bilanziert und mit isotopenchemischen und strukturchemischen Methoden charakterisiert werden. Damit können der stoffliche Beitrag der Biomasse an der Bildung von Huminstoffen im Boden bilanziert und Konversionsfaktoren sowie Raten für die Stoffverteilung abgeschätzt werden. Ergebnisse aus ersten Versuchen lassen zudem auf einen signifikanten Einbau von Kohlenstoff aus CO2 in die SOM schließen. Daraus könnte sich eine Neubewertung von Tracerexperimenten zur Bildung von gebundene Resten aus Xenobiotika ergeben. Im zweiten Schritt sollen Methoden zur Ermittlung der Struktur und Funktionalität der festgelegten Biopolymere entwickelt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Festlegung von Zellwandbestandteilen, Strukturproteinen und Nukleinsäuren gelegt.

Optimierung chemisch-ökologisch vermittelter Resistenz gegen den Rapsglanzkäfer und deren Introgression in den Raps, Teilvorhaben 3: Introgression der Resistenz aus Sinapis alba

Aufbau einer Bioprobenbank Radonexponierter Personen zur umfassenden Untersuchung biologischer Strahlenwirkungen

Forschergruppe (FOR) 5315: Humusauflage: Funktionsweise, Dynamik und Vulnerabilität im Wandel, Teilprojekt: Wasserspeicherung und Wasserumverteilung in der Humusauflage beeinflusst die Perkolation, Verdunstung und DOM Flüsse

Humusauflagen (FF) sind hydrologisch hoch relevant, sind jedoch nur ein teilweise erforschter Nexus zwischen Niederschlag, Stammfluss, Verdunstung und Infiltration in den Boden. Vor allem aufgrund seiner sich zeitlich ändernden Eigenschaften in bezüglich Mächtigkeit, physikalischen Eigenschaften und Benetzungseigenschaften, und der weitgehend unbekannten räumlichen und zeitlichen Muster. Die Gesamtauswaschung von gelöster organischer Substanz (DOM) oder gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) aus dem FF in den Boden ist relevant, um die Kohlenstoffbilanz des FF zu beschreiben. Dieses Projekt wird die räumlichen und zeitlichen Muster der Wasserflüsse im FF auf verschiedenen Skalen im Detail untersuchen und seine Form und Struktur mit den hydrologischen Prozessen in Verbindung bringen. Dies wird durch den Einsatz eines neuen Grid-Lysimeters erreicht, mit dem auch kontinuierliche In-situ-Messungen von DOM im Sickerwasser möglich sind sowie neuartige Experimente mit Benetzungsmitteln und Farbtracern. Aber auch die größeren räumlichen Muster der FF-Mächtigkeit, -Typ, -Vegetation und anderen Eigenschaften werden gemessen und analysiert. Wir werden zum ersten Mal die räumliche und zeitliche Variabilität mit den Flüssen von DOM/DOC sowie Rückkopplungsmechanismen zur Atmosphäre in Verbindung bringen. Dies ist umso relevanter, wenn man kurz- und langfristige Veränderungen des FF aufgrund des Klimawandels und Veränderungen in der Zusammensetzung der Baumarten einschließlich Auswirkungen von Dürren oder wärmeren Temperaturen betrachtet. Die Rolle von P1 in der FF-RU besteht darin, die hydrologischen Eigenschaften und Dienstleistungen von FF und ihre zentrale Rolle in Wasser- und Nährstoffflüssen zu verstehen sowie den Input für ökologische Modellierungen und eine Vielzahl von Basisdatensätze zu liefern.

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