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Community transcriptomics reveals drainage effects on paddy soil microbiome across the three domains of life
Methan ist ein potentes Treibhausgas, das erheblich zum Klimawandel beiträgt. Es wird biologisch ausschließlich durch methanogene Archaeen produziert, welche in anoxischen Böden weit verbreitet sind. Ein Beispiel ist der Nassreisanbau. Dieser trägt 10% zu dem global in die Atmosphäre emittierten...
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| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Beteiligte: | |
| Format: | Dissertation |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Philipps-Universität Marburg
2018
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| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | PDF-Volltext |
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| Zusammenfassung: | Methan ist ein potentes Treibhausgas, das erheblich zum Klimawandel beiträgt. Es wird
biologisch ausschließlich durch methanogene Archaeen produziert, welche in anoxischen
Böden weit verbreitet sind. Ein Beispiel ist der Nassreisanbau. Dieser trägt 10% zu dem global
in die Atmosphäre emittierten Methan bei. Reisstroh wird im Reisanbau als organischer Dünger
eingesetzt und von der mikrobiellen Gemeinschaft im gefluteten Reisfeldboden unter
anoxischen Bedingungen abgebaut. Der ratenbegrenzende Schritt für die Methanproduktion im
Reisfeldboden ist der Bio-polymer-Abbau. Entwässerung ist eine gängige Praxis im Reisanbau
und repräsentiert eine wichtige Strategie zur Minderung der Methanemission aus Reisfeldern.
Entwässerung fördert ferner die Bodengesundheit durch den beschleunigten Abbau und die
Mineralisierung der organischen Substanz im Boden. Die vorliegende Arbeit sollte den Effekt
von Entwässerung auf die Zusammensetzung und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft im
Reisfeldboden mittels molekularökologischer Methoden untersuchen. Ein Schwerpunkt sollte
die Analyse des Bio-polymer-Abbaus sein.
Reisfeldboden-Mikrokosmen wurden mit Reisstroh versetzt und anfänglich entweder für sieben
oder 28 Tage unter gefluteten Bedingungen vorinkubiert und nachfolgend für neun Tage
entwässert. Die Analyse zeigte, dass mit Ausnahme saprophytischer Pilze und
methanoxidierender Bakterien die Dauer der Vorinkubation nur einen geringen Effekt auf die
Antwort der mikrobiellen Gemeinschaft auf die Entwässerung des Bodens hat. Daher wurden
die Mikrokosmen für die weiteren Untersuchungen ausschließlich für 28 Tage vorinkubiert.
Bodenproben wurden jedem einzelnen Mikrokosmos entnommen und die Antwort der
mikrobiellen Gemeinschaft auf Entwässerung wurde mittels Umwelttranskriptomik (=
Metatranskriptomik) untersucht.
Physikalische Bodenparameter wurden während der Entwässerungsphase regelmäßig
überprüft. Entwässerung führte zu einem Anstieg der Sauerstoffkonzentration von suboxischer
(~1.6 μmol/l) zu nahezu atmosphärischer Konzentration (~240 μmol/l). Korrespondierend dazu
fiel die Bodenfeuchte auf 11% und das Wasserpotenzial auf -0.87 MPa.
Der Effekt von Entwässerung auf die Bodenparameter hatte keinen Einfluss auf die mittels RTqPCR
quantifizierbaren rRNA-Transkriptmengen der bacteria und archaea. Hingegen stieg die
iv
Transkriptmenge an pilzlicher rRNA signifikant an. Die taxonomische Zusammensetzung der
mikrobiellen Gemeinschaft änderte sich während der Entwässerungsphase signifikant. Die
relative Abundanz der Firmicutes (Clostridiaceae, Ruminococcaceae, Lachnospiraceae) nahm
mit zunehmender Entwässerung ab, während die Abundanzen der Actinobacteria
(Nocardioidaceae) und Proteobacteria (Comamonadaceae) anstiegen. Diese durch die
Entwässerung induzierten Dynamiken wurden durch eine taxonomische Analyse der rRNA und
mRNA bestätigt. Im Falle der Planctomycetes (Planctomycetaceae) wurde eine solche
Dynamik nur auf Ebene der mRNA beobachtet. Im Gegensatz hierzu nahm die detektierbare
Menge an mRNA methanogener Archaeen während der Entwässerungsphase signifikant ab;
dies im Einklang mit der vollständigen Hemmung der Methanproduktion. Protisten und
Amoebozoa waren die dominanten Vertreter innerhalb der Eukaryota. Entwässerung führte zu
einer Verringerung der Protisten (Cercozoa) im Reisfeldboden, hatte aber keinen signifikanten
Effekt auf die Abundanz der Amoebozoa. Die Entwässerung führte im Metatranskriptom zu
einem signifikanten Anstieg pilzlicher rRNA und mRNA. Pezimycotina (Ascomycota) und
Agarimycotina (Basidiomycota) waren die wichtigsten pilzlichen Gruppen im trockenen
Reisfeldboden.
Der Anteil der mRNA an der Gesamt-RNA ist ein guter Indikator für mikrobielle Aktivität.
Dieser Anteil lag für die bakterielle mRNA im gefluteten Reisfeldboden bei 1.7% und nach
Entwässerung bei 2%. mRNA des Transkriptions- und Translationsapparates war unter den
entwässerten Bedingungen signifikant angereichert. Dies weist darauf hin, dass die
Entwässerung keinen negativen Effekt auf die metabolische Aktivität der mikrobiellen
Gemeinschaft hatte. Vielmehr wurde durch die Entwässerung die Entwicklung einer an
trockene und oxische Bedingungen angepasste mikrobielle Gemeinschaft induziert.
Charakteristisch für diese Gemeinschaft war die Expression von mRNA, welche für an der
Verstoffwechselung von Lignin, Peptidoglykan und Glykogen beteiligten Enzyme kodiert.
Unter gefluteten Bedingungen wurde hingegen ein höheres Niveau an Transkripten detektiert,
welche Glykosylhydrolasen kodieren. Diese sind am Abbau von Zellulose und Chitin beteiligt. |
|---|---|
| Umfang: | 146 Seiten |
| DOI: | 10.17192/z2018.0500 |