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Titel: Mikrobielle Sukzession in geflutetem Reisfeldboden
Autor: Noll, Matthias
Weitere Beteiligte: Werner, Liesack
Erscheinungsjahr: 2004
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2004/0521
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2004-05214
DOI: https://doi.org/10.17192/z2004.0521
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Microbial succession in flooded rice paddy soil

Dokument

Schlagwörter:
Mikroorganismen, T-RFLP, Korrespondenzanalyse, T-RFLP, Correspondence analysis, Sukzession, Sucession, Microorganisms

Zusammenfassung:
In der vorliegenden Arbeit wurde eine bakterielle Sukzession in einem Reisfeldboden in Abhängigkeit zum Sauerstoffgradienten, wie er sich nach Überflutung des Bodens ausbildet, mit einem kombinierten Ansatz von molekularbiologischen Methoden und Kultivierungsexperimenten analysiert. Als Modellsystem wurde unbepflanzter Reisfeldboden in Mikrokosmen bei 30 °C in Dunkelheit inkubiert. Mittels Mikrosensormessungen wurde gezeigt, dass sich bereits sechs Stunden nach dem Fluten ein steiler vertikaler Sauerstoffgradient entwickelt hatte und dieser über die weitere Inkubationsdauer stabil blieb. Die Struktur und Dynamik der bakteriellen Gemeinschaft in der oxischen Zone, der Übergangszone und der anoxischen Zone wurden mit der terminalen Restriktionsfragment-Längen-Polymorphismus (T-RFLP)-Analyse verfolgt. Als molekulare Marker wurden die 16S rRNA und ihr kodierendes Gen (16S rDNA) verwendet. Folgende Inkubationszeitpunkte wurden untersucht: ein und sechs Stunden sowie ein, zwei, sieben, 14, 21, 30, 42, 84 und 168 Tage. Zu den jeweiligen Inkubationszeitpunkten wurden aus Mikrokosmen Proben für die molekulare Analyse entnommen, die zu den oben genannten Sauerstoffzonen korrespondierten. Für jeden der Inkubationszeitpunkte wurde die Zusammensetzung der bakteriellen Lebensgemeinschaft in drei Mikrokosmen unabhängig voneinander analysiert. Eine Korrespondenzanalyse der gesamten Fingerprintmuster auf 16S rRNA- bzw. auf 16S rDNA-Ebene zeigte, dass die Faktoren Inkubationszeit und Sauerstoffkonzentration und die Interaktion der beiden Faktoren einen Effekt auf die bakterielle Gemeinschaft hatten. Die zeitlichen Dynamiken wurden durch die Analyse der RNA besser aufgelöst als durch die Analyse der DNA. Die bessere Auflösung auf RNA-Ebene ist dadurch erklärbar, dass der detektierbare RNA-Gehalt einer Population durch den Faktor Populationsgröße und vor allem durch den Faktor Aktivität bestimmt wird. Die bakterielle Sukzession konnte in drei Phasen unterschiedlicher Dynamiken eingeteilt werden. Phase I (eine Stunde bis zwei Tage nach Überflutung) zeigte die stärksten Umbrüche in der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft. Diese Dynamiken waren ebenfalls in Phase II (zwei Tage bis 21 Tage nach Überflutung) zu beobachten, allerdings im Vergleich zur Phase I in schwächerer Ausprägung. Die Phase III (21 Tage bis 168 Tage nach Überflutung) war durch eine zeitlich und räumlich stabile Gemeinschaft gekennzeichnet. Mittels der vergleichenden Sequenzanalyse von 16S rRNA-Klonsequenzen wurden die mit den abundanten T-RFs korrespondierenden Organismen der Phase I in der oxischen Zone als Betaproteobacteria und in der anoxischen Zone als Clostridien identifiziert. Die Phase III wurde durch Nitrospira, Verrucomicrobia und Acidobacteria (oxische Zone) und Myxococcales (hauptsächlich in der anoxischen Zone) charakterisiert. Sowohl in Phase I als auch in Phase III wurden Vertreter der Betaproteobacteria als abundante Population detektiert. Basierend auf der gemeinsamen Interpretation der T-RFLP-Daten und der Klonsequenzen konnte eine Veränderung über die Inkubationszeit in der phylogenetischen Zusammensetzung innerhalb dieser Gruppe festgestellt werden. Aerobe Bakterien der Phase I und der Phase III wurden mittels Verdünnungsreihentechnik isoliert. Der Vergleich der Phylogenien der Isolate beider Phasen zeigte ebenfalls einen starken Umbruch in der kultivierbaren Fraktion über die Inkubationszeit. Während die kultivierbare Fraktion in der Phase I hauptsächlich durch Vertreter der Betaproteobacteria charakterisiert war, setzte sich die Phase III vor allem aus Mitgliedern des Phylums Alphaproteobacteria zusammen. Ferner wurden ausschließlich in der Phase III Acidobacteria spp. und Verrucomicrobia spp. isoliert. Isolate der Actinomycetales waren in beiden Phasen charakteristisch, wobei die Isolate der Phase I zu anderen Gattungen gehörten als die Isolate der Phase III. Die abnehmende Dynamik der bakteriellen Sukzession hin zu einer Klimaxgemeinschaft konnte mit dem Konzept der r-/K-Selektion erklärt werden. Gleiches galt für die bakteriellen Populationen, die für die frühe bzw. späte Inkubationsphase als charakteristisch identifiziert worden waren. Der von taxonomisch beschriebenen Organismen abgeleitete Phänotyp der detektierten Bakterien der Phase I zeichnet sich durch hohe Wachstumsraten aus, während Bakterien der Phase III durch eine Anpassung an geringe Substratkonzentrationen gekennzeichnet sind.

Summary:
An oxic-anoxic interface develops in the upper 2-mm layer of submerged paddy soil within six hours upon flooding. Changes in the bacterial community composition were assessed over time. Molecular fingerprinting techniques showed that both spatial distribution and temporal dynamics of bacterial populations were resolved more clearly at the RNA level than at the DNA level. At the RNA level, changes were most pronounced in both oxic and anoxic zones from 0 to 2 days after flooding, and less pronounced from 2 to 21 days after flooding. No spatio-temporal effects were observed during the later stages of incubation. We presume that the decrease of successional dynamics corresponded to a bacterial community shift from r- to K-strategy. To further examine our presumption, the culturability of bacteria from the early and late successional stages was investigated for the oxic zone using plate counting experiments. Most representatives of the early successional stage were identified as members of the Betaproteobacteria and the genus Bacillus. In contrast, isolates characteristic of late succession belonged, among others (e.g. Alphaproteobacteria, Actinobacteria), to bacterial lines of descent for which only a very few pure culture representatives have been reported so far, such as Verrucomicrobia and Acidobacteria.


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