Mikrobiologie der Rhizosphaere und des Bodens

Mikrobiologie der Rhizosphäre und des Bodens

Böden sind Lebensraum für eine Vielzahl an Mikroorganismen, so dass Böden im Vergleich zu anderen Ökosystemen sehr komplexe mikrobielle Gemeinschaften beherbergen (Abbildung 1). Die Identität der verschiedenen bodenlebenden Mikroorganismen wird seit Jahren intensiv analysiert, so dass zunehmend Wissen über die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften verfügbar ist. Der Einsatz kultivierungsunabhängiger molekularer Methoden trägt wesentlich zu diesem Fakt bei. Es stellt sich die Frage, wie eine derart hohe Diversität an Mikroorganismen in Böden entsteht und aufrechterhalten werden kann. Aktuelle Forschungsansätze verfolgen auch die Beantwortung der Frage, welchen Einfluss verschiedene Umweltfaktoren auf die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften in Böden haben. Ebenso ist die Bedeutung vieler Arten von Mikroorganismen für das Funktionieren des Ökosystems Boden unklar, insbesondere für die Mikroorganismen, die bisher nicht im Labor kultiviert werden können.

Abbildung 1: Rarefaction Analysen belegen die große Vielfalt bodenlebender Bakterien im Vergleich zu anderen Ökosystemen. Die Kurven wurden errechnet aus 16S rRNA Gen-basierten Klonbanken. OTUs entsprechen taxonomischen Gruppen. © Molekularbiologie der Rhizosphäre

Abbildung 2: Ein typisches Beispiel für eine symbiotische Assoziation von Pflanze und Mikroorganismus. Das Wurzelsystem einer Sojapflanze bildet Knöllchen, in denen Bakterien der Gattung Bradyrhizobium japonicum leben. Diese sind in der Lage Stickstoff zu fixieren, den sie der Pflanze zur Verfügung stellen. Im Gegenzug erhalten sie von der Pflanze organische Kohlenstoffverbindungen, welche sie als Energiequelle nutzen. © Molekularbiologie der Rhizosphäre

Böden besitzen eine Vielzahl unterschiedlicher Habitate für Mikroorganismen. Ein besonderer Lebensraum ist die Rhizosphäre, der Bereich des Bodens, der von Pflanzenwurzeln beeinflusst wird. Die Rhizosphäre besitzt im Vergleich zum nicht-durchwurzelten Boden eine mikrobielle Gemeinschaft andersartiger Zusammensetzung und geringer Komplexität.

Bodenlebende Mikroorganismen spielen eine zentrale Rolle bei der Mineralisierung von organischem Material und tragen so dazu bei, Nährstoffe für Pflanzen verfügbar zu machen. Darüber hinaus sind sie an der Aggregierung von Bodenbestandteilen beteiligt und somit von Bedeutung bei der Ausbildung und Aufrechterhaltung der Bodenstruktur. Einige Mikroorganismen können das Wachstum von Pflanzen in direkter Weise positiv beeinflussen, zum Beispiel indem sie mit den Pflanzen eine Symbiose eingehen und diese beim Akquirieren von Nährstoffen unterstützen oder sie vor dem Befall durch pathogene Organismen schützen (Beispiel in Abbildung 2). Gleichzeitig ist der Boden aber auch Lebensraum für pflanzenpathogene Mikroorganismen. Mögliche positive und negative Wechselwirkungen vieler bodenlebender Mikroorganismen untereinander und mit anderen Organismen sind noch unbekannt, insbesondere dann, wenn die Mikroorganismen nicht im Labor kultiviert werden können, was für die große Mehrheit der bodenlebenden Mikroorganismen gilt. Insofern besteht eine große Herausforderung darin, neben der Identität die Funktion der verschiedenen Mikroorganismen im Boden und der Rhizosphäre zu verstehen.

Ziel unserer Forschung ist es, die mikrobiellen Umsetzungsprozesse von organischen Kohlenstoffverbindungen im Boden und speziell in der Rhizosphäre besser zu verstehen. Wir möchten die Mikroorganismen identifizieren, die an diesen Prozessen beteiligt sind, aber auch verstehen, welche Umweltfaktoren die Abundanz und Aktivität dieser Mikroorganismen beeinflusst. Zu diesem Zweck setzen wir vorwiegend kultivierungs-unabhängige Methoden ein. Darüber hinaus werden aber auch repräsentative Modellstämme im Labor in Experimenten unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt, um die Physiologie dieser Mikroorganismen in vitro und in situ besser zu verstehen, Rückschlüsse auf deren Bedeutung im Boden zu ziehen und zu erkennen, wie diese Mikroorganismen auf veränderte Umweltbedingungen reagieren.

Ausgewählte Publikationen:

Frindte, K., Pape, R., Werner, K., Löffler, J., Knief, C. (2019) Temperature and soil moisture control microbial community composition in an arctic-alpine ecosystem along elevational and micro-topographic gradients. ISME J. in press

Krause, L., Biesgen, D., Treder, A., Schweizer, S. A., Klumpp, E., Knief, C., Siebers, N. (2019) Initial microaggregate formation: association of microorganisms to montmorillonite-goethite aggregates under wetting and drying cycles. Geoderma. In press

Maarastawi, S. A., Frindte, K., Bodelier, P. L. E., Knief, C. (2019) Rice straw serves as additional carbon source for rhizosphere microorganisms and reduces root exudate consumption. Soil Biol. Biochem. in press

Maarastawi, S. A., Frindte, K., Geer, R., Kröber, E., Knief, C. (2018) Temporal dynamics and compartment specific rice straw degradation in bulk soil and the rhizosphere of maize. Soil Biol. Biochem 127: 220-212.

Maarastawi, S. A., Frindte, K., Linnartz, M., Knief, C. (2018) Crop rotation and straw application impact microbial communities in Italian and Philippine soils and the rhizosphere of Zea mays. Front. Microbiol. 9: 1295.

Totsche, K. U., Amelung, W., Gerzabek, M. H., Guggenberger, G., Klumpp, E., Knief, C., Lehndorff, E., Mikutta, R., Peth, S., Prechtel, A., Ray, N., Kögel-Knabner, I. (2018) Microaggregates in soils. J. Plant Nutr. Soil Sci. 181: 104-136.

Knief, C., Delmotte, N., Chaffron, S., Stark, M., Innerebner, G., Wassmann, R., von Mering, C. Vorholt, J. A. (2012) Metaproteomic analysis of microbial communities in the phyllosphere and rhizosphere of rice. ISME J. 6: 1378-1390.

Delmotte, N., Ahrens, C. H., Knief, C., Qeli, E., Koch, M., Fischer, H-M., Vorholt, J. A., Hennecke, H., Pessi, G. (2010) An integrated proteomics and transcriptomics reference dataset provides new insights into the Bradyrhizobium japonicum bacteroid metabolism in soybean root nodules. Proteomics 10: 1391-1400.