Colonization of the rice rhizosphere by microbial communities involved in the syntrophic degradation of rhizodeposits to methane

Die Pflanzenwurzel stellt die primäre Zone für Interaktionen zwischen Reispflanzen und Bodenmikroorganismen dar. Pflanzen nehmen unter anderem durch Translokation von photosynthetisch fixiertem Kohlenstoff in die Rhizosphäre als Rhizodeposition Einfluss auf die im Boden vorkommenden mikrobiellen Gemeinschaften. Dies gilt auch für Reiswurzeln, welche von einer syntrophen mikrobiellen Lebensgemeinschaft besiedelt sind, die Methan aus wurzelbürtigen organischen Kohlenstoffverbindungen bilden kann. Es konnte bereits gezeigt werden, dass jede Pflanzenart eine spezifische mikrobielle Gemeinschaft an ihren Wurzeln selektiert. Ein generelles Verständnis über die Kolonisierung der Rhizosphäre von Reispflanzen und der sich daraus ergebende Einfluss auf den Abbau von Rhizodepositen zu Methan fehlt jedoch, da der Großteil der veröffentlichen Studien das Augenmerk ausschließlich auf solche Wurzeln legt, die auch in Reisfeldböden herangewachsen sind. Daher haben wir für diese Studie verschiedene mikrobielle Ausgangs-Boden-Gemeinschaften erstellt, welche zur Besiedlung der Reiswurzeln zur Verfügung standen. Dazu wurde eine inerte Sand-Vermiculit Matrix mit Reisfeldboden, bzw. Faulschlamm inokuliert und anschließend mit Reis bepflanzt. Die mikrobielle Aktivität der Boden-Systeme zur Bildung von Methan wurde in Vorversuchen getestet und die Besiedlung der Reis-Rhizosphäre daraufhin in bepflanzten Mikrokosmen untersucht. Diese enthielten jeweils eine unterschiedlich strukturierte mikrobielle Gemeinschaft, welche zur Wurzelbesiedlung zur Verfügung stand. Die Bedeutung der mikrobiellen Gemeinschaften für die Bildung von Methan aus pflanzenbürtigem Kohlenstoff wurde durch eine Kombination aus 13CO2 pulse-labeling mit Illumina Sequenzierung und quantitativer PCR untersucht. Die molekularbiologischen Analysen richteten sich hierbei auf die 16S rRNA als phylogenetisches, bzw. mcrA und pmoA als funktionale Marker-Gene für methanogene Archaeen und methanotrophe Bakterien. Die Bildung von Methan, sowie der generelle Abbau des wurzelbürtigen organischen Kohlenstoffs in den verschiedenen Mikrokosmen, war abhängig von der Zusammensetzung der bakteriellen und methanogenen Lebensgemeinschaften, jedoch nicht von deren absoluter Abundanz innerhalb der Rhizosphäre. Die Besiedlung der Rhizosphäre durch Bakterien und methanogene Archaeen fand in Abhängigkeit von den Ausgangs-Boden-Gemeinschaften statt, genauso wie die Translokation des photosynthetisch fixierten Kohlenstoffs. Dennoch zeigte sich anhand der an den Wurzeln vorkommenden mikrobiellen Zusammensetzung, dass die Rhizosphäre von Reispflanzen ein eigenständiges Habitat für Bakterien und methanogene Archaeen darstellt. Es konnte eine methanogene Lebensgemeinschaft identifiziert werden, welche über die Rhizosphäre aller Mikrokosmen hinweg mit der Bildung von Methan aus Rhizodeposition verknüpft war. Neben den hydrogenotrophen Methanocella und Methanobacteriaceae konnten auch Vertreter der acetoklastischen Methanosaeta dieser Gemeinschaft zugeordnet werden. Dennoch gehörten die meisten der Methanogenen, welche zur Methanemission aus Rhizodeposition beigetragen haben, zu denen mit hydrogenotrophem Stoffwechselweg. Innerhalb der methanogenen Gemeinschaft, die maßgeblich an der Bildung von Methan aus Rhizodeposition beteiligt war, wurden die Wurzeloberflächen stärker mit hydrogenotrophen Organismen besiedelt, während jene, die zur acetoklastischen Methanogenese befähigt sind, vornehmlich den Rhizosphären-Boden kolonisierten. Dies galt ebenfalls für die Besiedlung der Reis-Rhizosphäre durch Methanogene im Allgemeinen. Darüber hinaus konnten Methanogene ermittelt werden, die ubiquitär in der Rhizosphäre aller Mikrokosmen vertreten waren. Diese wurden somit als methanogene Lebensgemeinschaft verstanden, welche Reispflanzen an ihren Wurzeln selektieren. Hierbei besiedelten Vertreter von Methanobacteriaceae, Methanosaeta und Methanosarcina die gesamte Rhizosphäre, während Methanocella im Rhizosphären-Boden aller Mikrokosmen vorhanden waren. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass alle methanogenen Vertreter, welche an der Bildung von Methan aus wurzelbürtigem Kohlenstoff beteiligt waren, dieser der Reiswurzel assoziierten Gemeinschaft angehörten. Somit war die an der Reiswurzel selektierte methanogene Lebensgemeinschaft auch an der Bildung von Methan aus pflanzenbürtigem Kohlenstoff beteiligt. Neben methanogenen konnten auch bakterielle Gruppen identifiziert werden, die an der Entstehung von Methan aus Rhizodeposition beteiligt waren. Hierzu gehörten Vertreter von Kineosporiaceae, Anaeromyxobacter, Bradyrhizobium und Bacteroidales. Es konnte gezeigt werden, dass ein erhöhtes Vorkommen von Kineosporiaceae auch zu einer verstärkten Umsetzung von wurzelbürtigem Kohlenstoff zu Acetat, CO2 und Propionat führte. Daher ist davon auszugehen, dass zumindest die Familie der Kineosporiaceae aktiv an der Umsetzung von Rhizodeposition zu Vorprodukten für die Methanogenese beteiligt war. Dennoch konnten keine Bakterien identifiziert werden, welche sowohl zur Bildung von Methan aus wurzelbürtigem Kohlenstoff beigetragen haben, als auch ubiquitär in der Rhizosphäre aller Boden-Systeme präsent waren. Dies könnte darin begründet liegen, dass die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft in der Rhizosphäre auch maßgeblich von der Verfügbarkeit bestimmter funktionaler Gruppen in den Ausgangs-Boden-Gemeinschaften abhängig war.