Rice plants, drainage and crop rotation influence the methanogenic community in rice field soil

Reisfelder zeichnen sich durch Flutung während des Reisanbaus aus, was die Bildung von anoxischen Nischen begünstigt. In diesen Nischen findet der anaerobe Abbau von organischem Material bis hin zur Bildung von Methan durch methanogene Archaeen statt. Ein wesentlicher Teil des organischen Materials...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
1. Verfasser: Breidenbach, Björn
Beteiligte: Conrad, Ralf (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2015
Biologie
Ausgabe:http://dx.doi.org/10.17192/z2015.0239
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Zusammenfassung:Reisfelder zeichnen sich durch Flutung während des Reisanbaus aus, was die Bildung von anoxischen Nischen begünstigt. In diesen Nischen findet der anaerobe Abbau von organischem Material bis hin zur Bildung von Methan durch methanogene Archaeen statt. Ein wesentlicher Teil des organischen Materials in Reisfeldern stammt von der Reispflanze selbst, welche Kohlenstoffverbindungen über ihr Wurzelsystem ausscheidet. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss der Reispflanze auf die mikrobielle Gemeinschaft im Boden untersucht. Die bakterielle Gemeinschaft unterschied sich dabei nur geringfügig in ihrer Zusammensetzung zwischen bepflanztem und unbepflanztem Reisfeldboden. Dabei zeigten unter anderem Geobacter und Opitutus eine höhere Abundanz im bepflanzten Boden. Während sich die Anzahl der Bakterien und der Archaeen im bepflanzten Boden verdoppelte, zeigte die Zusammensetzung der archaeellen Gemeinschaft wenig Veränderung. Zusammengefasst zeigten die Ergebnisse jedoch, dass die mikrobielle Gemeinschaft im Reisfeldboden stark an die Reispflanze und deren Wurzelexudation adaptiert ist. Aufgrund der stetig steigenden Weltbevölkerung ist ein Anstieg der Nachfrage für Ressourcen wie Wasser anzunehmen. Dies könnte eine eingeschränkte Verfügbarkeit an Wasser für den Reisanbau zur Folge haben. Alternative Anbaustrategien, die eine Reduzierung des Wasserverbrauchs im Vergleich zum konventionellen Reisanbau ermöglichen, rücken somit immer mehr in den Fokus. Der Fruchtfolgewechsel mit einer Pflanze wie Mais, die unter nicht gefluteten Feldbedingungen wächst, ist eine dieser Optionen. Der zweite Teil dieser Arbeit unterteilt sich daher in zwei Schwerpunkte: Unter Feldbedingungen wurde der Einfluss (I) der Wachstumsstadien der Reispflanze sowie (II) der von Feldbearbeitungsmaßnahmen wie der Dränage und dem Anbau von Mais unter nicht gefluteten Bedingungen auf die mikrobielle Gemeinschaft im Reisfeldboden untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass sich die Wachstumsstadien der Reispflanze nur begrenzt auf die Zusammensetzung und Aktivität der Mikroben auswirkten. Im Gegensatz dazu führten Dränage und der Anbau von Mais zu einer Abnahme der Abundanz der Mikroben. Desweiteren zeigten verschiedene bakterielle Gruppen eine Reaktion auf die Feldbearbeitungsmaßnahmen indiziert durch eine erhöhte relative Abundanz in den nicht gefluteten Feldern. Diese unterteilten sich in zwei Gruppen: (I) aerobe Organismen wie Spartobacteria und Sphingobacteria und (II) Bakterien, die unter substratlimitierten Bedingungen wachsen, wie Bacteroidetes und Acidobacteria. Im Gegensatz dazu blieb die archaeele Gemeinschaft weitestgehend unbeeinflusst. Interessanterweise wurden innerhalb der Ordnung der Methanosarcinales eine große Anzahl an GOM Arc I Spezies gefunden, die potentiell zur anaeroben Methanoxidation fähig sind. Desweiteren, wurde während der nicht gefluteten Bedingungen beobachtet, dass der Ribosomengehalt pro Zelle auf einem hohen Niveau gehalten wurde. Dies wurde als Stressantwort aller anaeroben Archaeen und Bakterien auf die ungünstigen aeroben Bedingungen interpretiert. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden der Verlauf des Fruchtfolgewechsels und dessen Einfluss auf die mikrobielle Gemeinschaft im Boden über einen Zeitraum von zwei weiteren Jahren verfolgt. Nach Einführung der Maiskultivierung in das Reisökosytem erfolgte ein jährlicher Fruchtfolgewechsel mit Reis (geflutet) in der Regenzeit und Mais (nicht geflutet) in der Trockenzeit. Alternativ wurde in beiden Jahreszeiten Reis unter gefluteten Bedingungen angebaut. Die bakterielle Gemeinschaft zeigte eine geringe Reaktion auf den Fruchtfolgewechsel. Eine stärkere Veränderung erfolgte in der archaeellen Gemeinschaft. Ausgehend von einer von methanogenen Archaeen dominierten Gemeinschaft in den gefluteten Reisfeldern entwickelte sich in den nicht gefluteten Maisfeldern eine überwiegend aus aeroben Thaumarchaeoten bestehende Gemeinschaft. Innerhalb der Thaumarchaeoten wurde die Gruppe Soil Crenarchaeotic Group angereichert, welche hauptsächlich von Ammoniumoxidierern (Candidatus Nitrososphaera) repräsentiert wurde. Dies deutet darauf hin, dass der Oxidation von Ammonium möglicherweise eine höhere Bedeutung in nicht gefluteten Boden zukommt. Desweiteren, zeigten auch hier die methanogenen Euryarchaeoten unter nicht gefluteten Feldbedingungen eine Stressreaktion in Form einer erhöhten Ribosomenzahl pro Zelle. Das erneute Fluten in der Regenzeit ermöglichte den Euryarchaeoten allerdings nicht, sich wieder zu erholen und ihre ursprüngliche Abundanz zu erreichen. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen annehmen, dass die Reispflanze Einfluss auf die Mikroben im Reisfeldboden nimmt (erster Teil). Desweiteren führten Veränderungen in den Feldbearbeitungsmaßnahmen, wie Dränage und Fruchtfolgewechsel, zu einer schwachen kurzfristigen Reaktion der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft (zweiter Teil) und einer stärkeren langfristigen Reaktion der methanogenen Archaeen (dritter Teil).
DOI:http://dx.doi.org/10.17192/z2015.0239