title: Carbon translocation and methane emission in flooded rice microcosms with a manipulated root microbiome
title: Kohlenstofftranslokation und Methanemission in gefluteten Reismikrokosmen mit manipuliertem Wurzelmikrobiom
Creators: name: Pump, Judith
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: mikrobielle Diversität
Rhizosphäre
Archaea , Reis
Pulsmarkierung , Reis-Mikrobiom
mcrA
rhizodeposition , carbon translocation
Rhizodeposition , Kohlenstofftranslokation
Methanemission
methane emission
wurzelbürtiger Kohlenstoff
Methan
16S rRNA
pulse-labeling , rice microbiome
Ökosystemfunktion
Biowissenschaften, Biologie
Boden

description: Feuchtgebiete stellen wichtige
      Quellen und Senken von klimawirksamen Treibhausgasen wie
      Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) dar. Rhizodeposition von
      Pflanzen ist eine wichtige Kohlenstoff- und Nährstoffquelle
      für die im Boden lebenden Mikroorganismen und fördert den
      anaeroben Abbau von organischem Material durch hydrolytische,
      fermentative und methanogene Gemeinschaften. Bisher ist
      jedoch wenig über die biotischen und abiotischen Faktoren
      bekannt, die die Kohlenstoffumsetzung in der Rhizosphäre von
      Hydrophyten beeinflussen. Diese Arbeit befasst sich mit den
      Kohlenstoffflüssen im komplexen System Boden-Pflanze und den
      zugrundeliegenden biogeochemischen Prozessen um den Einfluss
      der mikrobiellen Vielfalt auf die Funktionen des Ökosystems
      zu erforschen. Das Mikrobiom der Reiswurzel wurde in
      gefluteten Mikrokosmen basierend auf einem
      Sand-Vermikulit-Gemisch durch Zugabe von sieben ausgewählten
      Böden aus verschiedenen Ökosystemen gezielt manipuliert. Mit
      Hilfe von 13C-Pulsmarkierung und molekularen Analysen wurde
      der Kohlenstofffluss zwischen Atmosphäre, Pflanze und Boden
      und die mikrobiellen Gemeinschaften in der Rhizosphäre
      untersucht. Die Translokation von Kohlenstoff (C) und die
      Emission von Methan wurden zu verschiedenen Wachstumsstadien
      der Reispflanze in italienischem Reisfeldboden mit
      reduziertem und sterilem Boden untersucht und die Bedeutung
      der Bodentypen auf die Biomasseproduktion und den
      Kohlenstoffzyklus bewertet. Die 13C-Pulsmarkierung von
      Reismikrokosmen ermöglichte es ausschließlich den aus der
      Pflanze stammenden Kohlenstoff zu markieren und dessen
      Dynamik im geschlossenen System zu studieren. Insgesamt
      verblieb unabhängig vom Bodentyp der überwiegende Teil des
      assimilierten Kohlenstoffs in oberirdischen Pflanzenorganen,
      etwa 10% wurden in die Wurzel eingebaut und weniger als 2%
      fanden sich im Boden wieder. Allerdings war in sterilem Boden
      die Verlagerung des assimilierten 13C unter die
      Bodenoberfläche deutlich geringer. Die Anreicherung an 13C in
      den verschiedenen Kohlenstoffpools wurde durch den
      Bodengehalt und das Wachstumsstadium der Pflanze bestimmt.
      Die Ergebnisse zeigen, dass wurzelbürtiger Kohlenstoff eine
      bedeutende Methanquelle darstellt, welche je nach Bodentyp
      bis zu 7% des in fünf Tagen emittierten Methans ausmachen
      kann. Zudem wurde die Biomasseproduktion der Reispflanzen
      durch den Bodentyp beeinflusst und korrelierte mit der
      Methanemission aus italienischem Reisfeldboden. Die Abundanz
      der Archaea veränderte sich mit fortschreitendem
      Entwicklungsstadium der Pflanze und stand im direkten
      Zusammenhang mit der Methanemission aus frischen
      Photosyntheseprodukten. Diese Ergebnisse weisen darauf hin,
      dass Wurzelausscheidungen und das zahlenmäßige Vorkommen von
      Mikroorganismen in der Rhizosphäre kritische Faktoren für die
      Methanemission insbesondere während der späten vegetativen
      und der reproduktiven Wachstumsphase der Pflanze sind. Die
      sieben Böden aus fünf verschiedenen Ökosystemen unterschieden
      sich nicht nur in ihren allgemeinen Bodeneigenschaften,
      sondern auch in ihrer archaeellen (16S rRNA) und methanogenen
      (mcrA) Gemeinschaft mit unterschiedlich stark ausgeprägten
      potentiellen Methanproduktionsraten. Multivariate Analysen
      zeigten, dass sich die archaeellen und methanogenen
      Populationsmuster in der Rhizosphäre veränderten, wenn die
      Böden zum Animpfen von Reismikrokosmen eingesetzt wurden. Das
      Mikrobiom der Wurzeln war durch eine diverse mikrobielle
      Gemeinschaft gekennzeichnet, wobei bestimmte archaeelle und
      methanogene Gruppen charakteristisch für die Rhizosphäre der
      Reispflanzen waren. Da diese Mikroorganismen nicht in den
      ursprünglichen Böden detektierbar waren, könnten sie
      entscheidend für die unterschiedlichen Methanemissionsraten
      aus wurzelbürtigem Kohlenstoff sein. Eine Kanonische
      Korrespondenzanalyse ergab, dass die Unterschiede in der
      methanogenen Rhizosphärengemeinschaft hauptsächlich auf den
      Kohlenstoff- und Nährstoffgehalt der verschiedenen Böden
      sowie die Pflanzenbiomasse zurückzuführen waren. Die
      Ergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl die Pflanze als
      auch der Bodentyp die Zusammensetzung des Mikrobioms der
      Reiswurzel und die Methanemission aus Photosyntheseprodukten
      steuern. Zusammenfassend zeigte die Arbeit, dass sowohl das
      Wachstumsstadium der Pflanze, als auch der Bodengehalt und
      der Bodentyp die Verteilung von frisch assimiliertem
      Kohlenstoff in überschwemmten Reispflanzen, die
      Kohlenstofftranslokation in die Rhizosphäre und die
      Gasemission in die Atmosphäre entscheidend prägten. Die im
      Boden lebenden Mikroorganismen als treibende Kraft der
      globalen Stoffkreisläufe beeinflussen nachhaltig den
      Kohlenstofffluss in Feuchtgebieten und die Produktion der
      klimarelevanten Spurengase CO2 und CH4.
description: Wetlands are important sources and
      sinks of effective greenhouse gases including carbon dioxide
      (CO2) and methane (CH4). Rhizodeposition by plants plays an
      essential role in carbon and nutrient supply for the soil
      microbiota and stimulates anaerobic decomposition of organic
      material by hydrolytic, fermenting and methanogenic
      microorganisms. However, little is known about the biotic and
      abiotic factors influencing the carbon turnover in the
      rhizosphere of wetland plants. This thesis focuses on the
      biogeochemical processes involved in carbon cycling of
      complex plant-soil systems to link microbial community
      structure to ecosystem functioning. Flooded rice microcosms
      were generated based on sand-vermiculite inoculated with
      seven soils from different ecosystems to manipulate the root
      microbiome. Using 13C pulse-labeling and molecular analyses,
      the carbon translocation from the atmosphere through the
      plant into the soil and back to the atmosphere as well as the
      microbial communities were studied in order to explore the
      impact of rice growth stages on C translocation and CH4
      emission in Italian paddy soil in comparison to reduced soil
      content and sterile soil, and to evaluate the effect of the
      seven soils on plant biomass production and carbon cycling.
      The application of isotopic pulse-labeling allowed tracing
      the carbon that exclusively derived from recent plant
      photosynthates. Overall, the majority of freshly assimilated
      C remained in aboveground plant biomass, about 10% was
      allocated into the roots and less than 2% was recovered in
      soil organic matter independently from the soil type;
      however, sterile soil strongly inhibited belowground 13C
      translocation. The 13C enrichment in the different C pools
      was affected by the soil content and the plant growth stage
      and revealed that recently plant-assimilated carbon was an
      important source for methanogenesis accounting for up to 7%
      of the total CH4 emitted within five days depending on soil
      type. Rice biomass production was affected by the soil type
      and was positively correlated with CH4 emission in Italian
      paddy soil. The abundance of archaeal communities changed in
      response to plant developmental growth stage and was
      correlated with the amount of emitted 13CH4 that was
      exclusively derived from fresh photosynthates. These findings
      indicate that rhizodeposition and microbial abundances in the
      rhizosphere were critical for the emission of methane
      especially during the late vegetative and reproductive stages
      of rice plants. The seven soils covering five different
      ecosystem types not only differed in the main soil
      characteristics, but also contained distinct archaeal (16S
      rRNA) and methanogenic (mcrA) populations and exhibited
      different CH4 production potentials. Multivariate analyses
      demonstrated that the archaeal and methanogenic fingerprints
      were also distinct in the rice rhizosphere when soils were
      used for generating rice-planted microcosms. The root
      microbiome was characterized by a highly diverse community
      where characteristic archaeal and methanogenic groups were
      detected in the rice rhizosphere. These microorganisms were
      not detected in the original soils and thus could be critical
      for the different rates of emitted 13CH4 observed. Canonical
      correspondence analysis indicated that the differences in
      methanogenic communities colonizing the rice rhizosphere were
      mainly attributed to the carbon and nutrient content of the
      inoculated soils and to the plant biomass. These results
      suggest that plant and soil factors cooperatively shape the
      root microbiome and affect methane emission from fresh
      photosynthates. Collectively, the study revealed that
      allocation of freshly assimilated carbon in submerged rice
      plants, C translocation into the rhizosphere and gas emission
      to the atmosphere were affected by both the plant growth
      stage, and also by the amount and type of soil in which the
      rice plants grew. The soil-inhabiting microorganisms as
      principle drivers of global nutrient cycles have an important
      impact on carbon translocation between hydrophytic plants and
      wetland soils and influence the emission of the
      climate-relevant trace gases CO2 and CH4.