Welchen Einfluss haben Klima und Baumart auf die Zusammensetzung bodenlebender Mikroorganismen?

Quantifizierung mikrobieller Nährstoffkreisläufe von Waldböden

Bodenmikroorganismen spielen eine Schlüsselrolle für die Nährstoffkreisläufe und die CO2-Senkenfunktion von Waldböden. Die Interaktion zwischen Vegetation, Mikroorganismen und Boden ist deshalb von zentraler Bedeutung für die Regulierung des Nährstoffhaushalts und der Vitalität der Bäume. Aktuelle Arbeiten belegen den Einfluss der Klimabedingungen auf die mikrobielle Gemeinschaft im Boden (Bodenmikrobiom) und deren Funktion. Allerdings gibt es bisher wenig Erkenntnisse über quantitative Zusammenhänge zwischen dem Bodenmikrobiom, den Klimabedingungen, der Baumartenzusammensetzung und der Nährstoffverfügbarkeit der Böden.

Im Rahmen des Projekts "Relevanz des Waldbodenmikrobioms (WBMB) für Nährstoffkreisläufe und Einflüsse von Baumart und Klima" soll die mikrobielle Artenzusammensetzung und Funktion in Waldböden unter den Baumarten Fichte, Douglasie und Buche entlang eines Temperatur- und Niederschlagsgradienten untersucht werden. Durch die Analyse der mikrobiellen Zusammensetzung und Aktivität wird einerseits die Bedeutung des Waldbodenmikrobioms für Stoffkreisläufe und die Waldernährung quantifiziert und andererseits die zu erwartende Entwicklung des Waldbodenmikrobioms infolge des Klimawandels und der damit einhergehenden Änderungen in der Baumartenzusammensetzung der Wälder prognostiziert.

Konkret sollen folgende Fragen beantwortet werden:

  1. Welchen Einfluss haben die Klimafaktoren Temperatur und Niederschlag und die Baumarten Fichte, Douglasie und Buche auf die mikrobiellen Umsetzungsprozesse von Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Phosphor (P)?
  2. Welche Rolle spielen Bakterien und Pilze und deren Verhältnis zueinander für die Kreisläufe von C, N und P?
  3. Welchen Einfluss haben Temperatur, Niederschlag und die sich daraus ergebende klimatische Wasserbilanz auf die Zusammensetzung der mikrobiologischen Artengruppen im Boden? Hat ein feuchter/kühler Standort ein größeres Verhältnis zwischen Pilzen/Bakterien als ein trockener/warmer Standort? Nimmt das Pilz/Bakterien-Verhältnis von Fichte über Douglasie zu Buchen ab?
  4. Reagiert das Bodenmikrobiom in der Humusauflage und im obersten Mineralboden sensitiver auf Baumart und Klimafaktoren als im Unterboden?
  5. Lassen sich anhand der mikrobiellen Zusammensetzung bestimmte Indikatororganismen (-gruppen) identifizieren, die für stabile Nährstoffkreisläufe unter sich ändernden klimatischen Rahmenbedingungen wichtig sind?

Methodischer Ansatz

Die Biodiversität und das funktionelle Potenzial der mikrobiellen Gemeinschaft der Böden sollen mittels Sequenzierung des Metagenoms und des Metatranskriptoms bestimmt werden.

Das Metagenom ist die Gesamtheit der in einer Probe vorhandenen genetischen Information, also die Gesamtheit der Genome aller in der Probe befindlichen Organismen. Durch die Analyse des Metagenoms können sowohl Informationen über die mikrobielle Biodiversität als auch über das funktionelle Potenzial des Mikrobioms gewonnen werden. Dadurch können wiederum Nährstoffkreisläufe (C, N und P) rekonstruiert und die an den einzelnen Schritten beteiligten Mikroorganismen identifiziert werden.

Das Metatranskriptom ist die Gesamtheit der in einer Probe vorhandenen Gentranskripte, die in Form von RNA Auskunft über die aktiven Gene innerhalb der mikrobiellen Gesellschaft geben. Im Gegensatz zum Metagenom liefert das Metatranskriptom Informationen über die tatsächlich ablaufenden Nährstoffumsetzungen und bietet so die Möglichkeit, aktive mikrobielle Netzwerke abzubilden.

Die Kombination beider Methoden ermöglicht die Rekonstruktion von Nährstoffkreisläufen und der beteiligten Mikroorganismen, liefert jedoch keine quantitative Aussage über die einzelnen Schritte der Umsetzungsprozesse. Deshalb werden basierend auf den Ergebnissen der Metagenom- bzw. Metatranskriptomanalyse Primersysteme für quantitative real-time PCR (qPCR) ausgewählt, um die Abundanz von an C-, N- und P-Kreisläufen beteiligten Schlüsselgenen und -transkripten zu quantifizieren. Somit können quantitative Modelle der Nährstoffkreisläufe für die untersuchten Standortsgradienten (verschiedene Baumarten und Klimabedingungen) erstellt werden. Trendaussagen entlang der untersuchten Gradienten ermöglichen Prognosen darüber, wie sich das Waldbodenmikrobiom und die damit verknüpften Nährstoffkreisläufe im Zuge eines sich ändernden Klimas und einer veränderten Baumartenzusammensetzung entwickeln werden.

Beteiligte Akteur/-innen

  • Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg (FVA), Abteilung Boden und Umwelt, Wonnhaldestraße 4, D-79100 Freiburg i. Br., Dr. Christian Bluhm, Dr. Peter Hartmann, Dr. Heike Puhlmann
  • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg (ALU), Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen, Institut für Forstwissenschaften, Professur für Bodenkunde, Bertoldstraße 17, D-79098 Freiburg i. Br., Dr. Kristin Steger, Prof. Dr. Friederike Lang
  • Technische Universität München (TUM), Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt, Forschungsdepartment Ökologie und Ökosystemmanagement, Lehrstuhl für Bodenkunde, Emil-Ramann-Str. 2, D-85354 Freising, Prof. Dr. Michael Schloter
  • Helmholtz Zentrum München, Abteilung Vergleichende Mikrobiomanalyse, Ingolstädter Landstraße 1, D-85764 Neuherberg, Dr. Silvia Gschwendtner

Das Projekt wird durch den Waldklimafonds beim Projektträger FNR (FKZ: 2218WK54B4) für den dreijährigen Zeitraum von 01.04.2021 – 31.03.2024 gefördert und in Kooperation mit der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg (ALU), Technische Universität München (TUM) und dem Helmholtz Zentrum München durchgeführt.

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