title: Colonization of the rice rhizosphere by microbial communities involved in the syntrophic degradation of rhizodeposits to methane
title: Besiedlung der Reis-Rhizosphäre durch am syntrophen Abbau von Rhizodepositen zu Methan beteiligte mikrobielle Lebensgemeinschaften
Creators: name: Vogel, Dirk
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Rhizodeposition
Abbau von organischen Substanzen
Sciences
Naturwissenschaften
rhizodeposition
rhizosphere, methanogenesis
Methanogenese
organic matter degradation
Rhizosphäre
Rhizosphäre, Methanogenese

description: Roots represent the primary site of
      direct interaction between rice plants and soil
      microorganisms. The influence of the plant on the soil
      microbial community includes the translocation of
      photosynthetically fixed carbon into the rhizosphere as
      rhizodeposition. This extends to the rhizosphere of rice
      plants, which is colonized by a syntrophic microbial
      community, which in turn is able to degrade root derived
      carbon to methane. Each plant species is thought to select a
      specific microbial community composition as root microbiome.
      A general understanding of microbial colonization of the rice
      rhizosphere and the consequential impact on the emission of
      methane originating from rhizodeposits is still uncertain,
      since the majority of the studies have so far focused
      exclusively on rice roots planted in rice paddy soils.
      Therefore, we used different initial soil microbial
      communities available for colonization of the rice roots. In
      order to do this, an inert sand-vermiculite matrix was
      inoculated with rice paddy soil and digested sludge,
      respectively, and was afterwards planted with rice. The
      microbial activity essential for the formation of methane
      from those soil-systems was tested in pre-experiments and the
      colonization of the rice rhizosphere was determined
      afterwards in plant-soil microcosms. Each of the microcosms
      possessed an individually structured microbial community,
      which served as a seed bank for the colonization of the rice
      roots. We analyzed the impact of the community composition on
      the emission of methane by combining 13CO2 pulse-labeling
      with illumina sequencing and quantitative PCR, targeting the
      16S rRNA as phylogenetic-, as well as mcrA and pmoA as
      functional marker genes for methanogenic archaea and
      methane-oxidizing bacteria. The degradation of rhizodeposits
      to methane in the different microcosms was dependent on the
      bacterial and methanogenic community structure, but not on
      their absolute abundance in the rhizosphere. Like the
      colonization of the rhizosphere by bacteria and methanogenic
      archaea, the translocation of photosynthetically fixed carbon
      depended upon the initial microbial communities.
      Nevertheless, the rice rhizosphere was found to be a distinct
      habitat for bacteria and methanogenic archaea. We were able
      to identify a methanogenic community which was linked to the
      degradation of rhizodeposits to methane across the
      rhizosphere of all microcosms. Besides hydrogenotrophic
      Methanocella and Methanobacteriaceae, acetoclastic
      Methanosaeta could also be assigned to this community.
      Nevertheless, most methanogens which contribute to the
      emission of methane originating from root derived carbon were
      found to belong to those with a hydrogenotrophic pathway.
      Within the methanogenic community linked to the formation of
      methane from rhizodeposits, the root surface was mainly
      colonized by hydrogenotrophic methanogens, while those able
      to perform acetoclastic methanogenesis were highly abundant
      in the rhizospheric soil. This was true of the colonization
      of the rice rhizosphere by methanogenic archaea in general.
      Furthermore, we were able to identify methanogens which were
      ubiquitous in the rhizosphere of all microcosms. Those were
      considered as methanogenic community selected by the rice
      plant on its roots. Representatives of Methanobacteriaceae,
      Methanosaeta and Methanosarcina colonized the overall
      rhizosphere, while Methanocella were found to be present in
      the rhizospheric soil of all microcosms. In addition to this,
      all methanogenic archaea which were linked to the degradation
      of root derived carbon to methane also belonged to this root
      associated community. Hence, the methanogenic community
      selected on the rice root also contributed to the formation
      of methane from rhizodeposits. Besides methanogens, we were
      also able to identify certain bacterial groups, which are
      linked to the degradation of root derived carbon to methane.
      These includes representatives of Kineosporiaceae,
      Anaeromyxobacter, Bradyrhizobium, and Bacteroidales. A higher
      abundance of Kineosporiaceae also resulted in an increased
      conversion of root derived carbon compounds to acetate, CO2,
      and propionate. Therefore, at least the family of
      Kineosporiaceae was thought to be actively involved in the
      degradation of rhizodeposition to precursors for
      methanogenesis. Nevertheless, we were not able to determine
      bacteria which contributed to the emission of methane
      originating from root derived carbon and which were
      ubiquitous in the rhizosphere of all soil-systems. This
      resulted from the fact that the microbial community structure
      of the rhizosphere also depended on the initial pool of
      microorganisms available for root colonization.
description: Die Pflanzenwurzel stellt die
      primäre Zone für Interaktionen zwischen Reispflanzen und
      Bodenmikroorganismen dar. Pflanzen nehmen unter anderem durch
      Translokation von photosynthetisch fixiertem Kohlenstoff in
      die Rhizosphäre als Rhizodeposition Einfluss auf die im Boden
      vorkommenden mikrobiellen Gemeinschaften. Dies gilt auch für
      Reiswurzeln, welche von einer syntrophen mikrobiellen
      Lebensgemeinschaft besiedelt sind, die Methan aus
      wurzelbürtigen organischen Kohlenstoffverbindungen bilden
      kann. Es konnte bereits gezeigt werden, dass jede Pflanzenart
      eine spezifische mikrobielle Gemeinschaft an ihren Wurzeln
      selektiert. Ein generelles Verständnis über die Kolonisierung
      der Rhizosphäre von Reispflanzen und der sich daraus
      ergebende Einfluss auf den Abbau von Rhizodepositen zu Methan
      fehlt jedoch, da der Großteil der veröffentlichen Studien das
      Augenmerk ausschließlich auf solche Wurzeln legt, die auch in
      Reisfeldböden herangewachsen sind. Daher haben wir für diese
      Studie verschiedene mikrobielle Ausgangs-Boden-Gemeinschaften
      erstellt, welche zur Besiedlung der Reiswurzeln zur Verfügung
      standen. Dazu wurde eine inerte Sand-Vermiculit Matrix mit
      Reisfeldboden, bzw. Faulschlamm inokuliert und anschließend
      mit Reis bepflanzt. Die mikrobielle Aktivität der
      Boden-Systeme zur Bildung von Methan wurde in Vorversuchen
      getestet und die Besiedlung der Reis-Rhizosphäre daraufhin in
      bepflanzten Mikrokosmen untersucht. Diese enthielten jeweils
      eine unterschiedlich strukturierte mikrobielle Gemeinschaft,
      welche zur Wurzelbesiedlung zur Verfügung stand. Die
      Bedeutung der mikrobiellen Gemeinschaften für die Bildung von
      Methan aus pflanzenbürtigem Kohlenstoff wurde durch eine
      Kombination aus 13CO2 pulse-labeling mit Illumina
      Sequenzierung und quantitativer PCR untersucht. Die
      molekularbiologischen Analysen richteten sich hierbei auf die
      16S rRNA als phylogenetisches, bzw. mcrA und pmoA als
      funktionale Marker-Gene für methanogene Archaeen und
      methanotrophe Bakterien. Die Bildung von Methan, sowie der
      generelle Abbau des wurzelbürtigen organischen Kohlenstoffs
      in den verschiedenen Mikrokosmen, war abhängig von der
      Zusammensetzung der bakteriellen und methanogenen
      Lebensgemeinschaften, jedoch nicht von deren absoluter
      Abundanz innerhalb der Rhizosphäre. Die Besiedlung der
      Rhizosphäre durch Bakterien und methanogene Archaeen fand in
      Abhängigkeit von den Ausgangs-Boden-Gemeinschaften statt,
      genauso wie die Translokation des photosynthetisch fixierten
      Kohlenstoffs. Dennoch zeigte sich anhand der an den Wurzeln
      vorkommenden mikrobiellen Zusammensetzung, dass die
      Rhizosphäre von Reispflanzen ein eigenständiges Habitat für
      Bakterien und methanogene Archaeen darstellt. Es konnte eine
      methanogene Lebensgemeinschaft identifiziert werden, welche
      über die Rhizosphäre aller Mikrokosmen hinweg mit der Bildung
      von Methan aus Rhizodeposition verknüpft war. Neben den
      hydrogenotrophen Methanocella und Methanobacteriaceae konnten
      auch Vertreter der acetoklastischen Methanosaeta dieser
      Gemeinschaft zugeordnet werden. Dennoch gehörten die meisten
      der Methanogenen, welche zur Methanemission aus
      Rhizodeposition beigetragen haben, zu denen mit
      hydrogenotrophem Stoffwechselweg. Innerhalb der methanogenen
      Gemeinschaft, die maßgeblich an der Bildung von Methan aus
      Rhizodeposition beteiligt war, wurden die Wurzeloberflächen
      stärker mit hydrogenotrophen Organismen besiedelt, während
      jene, die zur acetoklastischen Methanogenese befähigt sind,
      vornehmlich den Rhizosphären-Boden kolonisierten. Dies galt
      ebenfalls für die Besiedlung der Reis-Rhizosphäre durch
      Methanogene im Allgemeinen. Darüber hinaus konnten
      Methanogene ermittelt werden, die ubiquitär in der
      Rhizosphäre aller Mikrokosmen vertreten waren. Diese wurden
      somit als methanogene Lebensgemeinschaft verstanden, welche
      Reispflanzen an ihren Wurzeln selektieren. Hierbei
      besiedelten Vertreter von Methanobacteriaceae, Methanosaeta
      und Methanosarcina die gesamte Rhizosphäre, während
      Methanocella im Rhizosphären-Boden aller Mikrokosmen
      vorhanden waren. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass
      alle methanogenen Vertreter, welche an der Bildung von Methan
      aus wurzelbürtigem Kohlenstoff beteiligt waren, dieser der
      Reiswurzel assoziierten Gemeinschaft angehörten. Somit war
      die an der Reiswurzel selektierte methanogene
      Lebensgemeinschaft auch an der Bildung von Methan aus
      pflanzenbürtigem Kohlenstoff beteiligt. Neben methanogenen
      konnten auch bakterielle Gruppen identifiziert werden, die an
      der Entstehung von Methan aus Rhizodeposition beteiligt
      waren. Hierzu gehörten Vertreter von Kineosporiaceae,
      Anaeromyxobacter, Bradyrhizobium und Bacteroidales. Es konnte
      gezeigt werden, dass ein erhöhtes Vorkommen von
      Kineosporiaceae auch zu einer verstärkten Umsetzung von
      wurzelbürtigem Kohlenstoff zu Acetat, CO2 und Propionat
      führte. Daher ist davon auszugehen, dass zumindest die
      Familie der Kineosporiaceae aktiv an der Umsetzung von
      Rhizodeposition zu Vorprodukten für die Methanogenese
      beteiligt war. Dennoch konnten keine Bakterien identifiziert
      werden, welche sowohl zur Bildung von Methan aus
      wurzelbürtigem Kohlenstoff beigetragen haben, als auch
      ubiquitär in der Rhizosphäre aller Boden-Systeme präsent
      waren. Dies könnte darin begründet liegen, dass die
      Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft in der
      Rhizosphäre auch maßgeblich von der Verfügbarkeit bestimmter
      funktionaler Gruppen in den Ausgangs-Boden-Gemeinschaften
      abhängig war.