title: From phospholipids to neutral lipids: characterising soil microbial communities and their functions
Creators: name: Gorka, Stefan
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Der Boden ist eine hochdynamische und heterogene Umgebung, in der diverse mikrobielle Gemeinschaften leben, die eine zentrale Rolle im Funktionieren von Ökosystemen spielen. Natürliche Böden unterliegen häufig schwankenden Umweltbedingungen, die erhebliche Auswirkungen auf die mikrobiellen Gemeinschaften haben können. Um die Resilienz—und das gesamte Funktionieren—von Bodensystemen zu verstehen, ist es wichtig, zu untersuchen wie Bodenmikroben auf solche Perturbationen reagieren. Ein wesentlicher Aspekt hierbei ist die Analyse von Biomarkern, welche die Zusammensetzung und Physiologie von mikrobiellen Gemeinschaften zuverlässig abbilden. In dieser Arbeit untersuche ich, in welcher Weise Änderungen in der physiko-chemischen Umwelt mikrobielle Gemeinschaften in Böden perturbieren, und erweitere eine gebräuchliche Lipidanalyse, um tiefere Einblicke in die Struktur und Funktion mikrobieller Gemeinschaften zu gewinnen. Gemeinhin ist zu erwarten, dass mikrobielle Gemeinschaften physiologisch an Umweltstörungen angepasst sind, welche häufig in Böden vorkommen, da sie oft unter diesen interagieren. In dieser Arbeit habe ich die Reaktion mikrobieller Gemeinschaften im Boden auf zwei unterschiedliche Perturbationen untersucht: Gefrier-Auftau-Zyklen und die Zugabe eines leicht verfügbaren Substrats (Glukose). Mit der Analyse von Fettsäureprofilen aus Phospholipiden und neutralen Lipiden (PLFA, NLFA) habe ich Veränderungen in der Zusammensetzung und dem Funktionieren der mikrobiellen Gemeinschaften über 160 Tage verfolgt. Obwohl eine hohe Resilienz der mikrobiellen Gemeinschaften zu erwarten war, führten die Perturbationen zu langanhaltenden Veränderungen in der Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften, sowie in Kohlenstoff- und Stickstoffdynamiken des Bodens, was auf eine nachhaltige Veränderung der Physiologie der Bodenmikroben hinweist. Des Weiteren habe ich die PLFA-Extraktionsmethode erweitert, um Glykolipide und neutrale Lipide einzubeziehen. Diese sind potentiell sensitive Marker für physiologische Eigenschaften von Bodenmikroben. Insbesondere habe ich (i) die Ausbeute der Lipidfraktionen mit reinen Lipidstandards getestet, (ii) ob die taxonomische Spezifität von Markerfettsäuren in den unterschiedlichen Lipidfraktionen in mikrobiellen Reinkulturen erhalten bleibt, und (iii) ob sich die Fettsäureprofile zwischen den Lipidfraktionen in Bodenproben unterscheiden. Eine zufriedenstellende Trennung von Phospholipiden, Neutralfetten und Glykolipiden wurde durch die Zugabe von 2 % Ethanol zu Chloroform für die Elution von neutralen Lipiden erreicht. Die taxonomische Spezifität blieb in verschiedenen Lipidfraktionen in Reinkulturen erhalten. In Bodenproben zeigten die Lipidfraktionen größere Unterschiede zueinander als zwischen den verschiedenen Bodentypen, was darauf hindeutet, dass jede Lipidfraktion spezifische Einblicke in die Physiologie mikrobieller Gemeinschaften bietet. Darüber hinaus habe ich den Ursprung von bakteriellen NLFAs in Böden untersucht, um zu klären, ob sie aus Kohlenstoffspeicherstoffen wie Triacylglycerolen (TAGs), oder aus Abbauprodukten von Phospholipiden, die auf Nekromasse hindeuten, stammen. Eine Analyse der JGI-Datenbank zeigt, dass das Schlüsselenzym der bakteriellen TAG-Synthese (WS/DGAT) in den Genomen von Isolaten von Bodenbakterien häufig vorkommt, was auf die Fähigkeit zur TAG-Produktion hinweist. Außerdem wird zugeführtes Glukose-13C binnen kurzer Zeit in bakterielle NLFAs eingebaut, was auf eine Speicherung von überschüssigem Kohlenstoff hindeutet. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass bakterielle NLFAs hauptsächlich aus TAGs stammen, was darauf hindeutet, dass sie Marker für Kohlenstoffspeicherung in Bakterien sind. Diese Arbeit trägt zu einem tieferen Verständnis der Resilienz mikrobieller Gemeinschaften im Boden gegenüber Umweltveränderungen bei und verbessert eine Methodik der Lipidanalyse. Die Integration von Fettsäureprofilen aus neutralen Lipiden und Glykolipiden in die PLFA-Methodik bietet einen holistischen Ansatz zur Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften in Böden, und hat bedeutende Implikationen für die Analyse mikrobieller Gemeinschaften. Insbesondere NLFAs, die spezifisch für Bakterien sind, scheinen ein noch wenig erforschter Marker für mikrobielle Kohlenstoffspeicherung zu sein.
description: Soil is a highly dynamic and heterogeneous environment, home to diverse microbial communities that play essential roles in ecosystem functioning. Natural soils frequently experience fluctuating environmental conditions that can have significant effects on these microbial communities. Understanding how soil microbes respond to such perturbations is key to predicting the resilience and overall functioning of soil ecosystems. A critical aspect of this involves analysing marker compounds that can sensitively track the compositional and physiological shifts in microbial communities. This thesis addresses these challenges by exploring the responses of soil microbes to common environmental perturbations, while also evaluating the potential for extending an existing lipid analysis technique to provide deeper insights into microbial community structure and function. Microbial communities are expected to be physiologically adapted to environmental perturbations which occur commonly in soils, as they have a long history of interactions with them. In this thesis, I investigated the response of soil microbial communities to two perturbations: freeze-thaw cycles and labile substrate (glucose) addition. Using phospholipid and neutral lipid fatty acid (PLFA, NLFA) profiling, I tracked changes in microbial community composition and function over 160 days. Contrary to expectations of high resilience, the perturbations induced long-lasting alterations in microbial community structure as well as nutrient dynamics, indicating persistent shifts in soil microbial functions. I also evaluated the PLFA extraction method to include glycolipid and neutral lipids, which are potentially sensitive markers for microbial community functions. Specifically, I tested (i) the purity of the lipid fractions with pure lipid standards, (ii) whether the taxonomic specificity of marker fatty acids is retained across lipid fractions in microbial pure cultures, and (iii) if fatty acid profiles differ between the lipid fractions in soil extracts. Satisfactory separation of phospholipids, neutral lipids, and glycolipids was achieved by adding 2% ethanol to chloroform for neutral lipid elution. Taxonomic specificity was consistent across different lipid fractions in pure microbial cultures. In soil extracts, lipid fractions exhibited stronger differences between themselves than between soil types, suggesting that each lipid fraction provides unique insights into microbial community physiology. Furthermore, I explored the origin of bacterial NLFAs in soils, aiming to clarify whether they derive from carbon storage compounds (triacylglycerols, TAGs) or phospholipid degradation products indicative of necromass. Analysis of the JGI database shows that the key enzyme in bacterial TAG synthesis (WS/DGAT) is abundant in soil bacterial isolate genomes, suggesting the ability to produce TAGs. Additionally, glucose-13C added to soil is rapidly allocated into bacterial NLFAs, indicating storage of excess carbon. These findings support the hypothesis that bacterial NLFAs primarily originate from TAGs, which suggests that they are markers for bacterial carbon storage. This thesis contributes to a deeper understanding of soil microbial resilience to environmental changes and enhances lipid analysis methodologies. The integration of NLFA and glycolipid fatty acid profiling with PLFA analysis provides a more holistic approach to studying soil microbial communities, with significant implications for analysing microbial community functions. Bacteria-specific NLFAs in particular appear to be an underexplored marker for microbial carbon storage.