title: Reispflanzen, Dränage und Fruchtfolgewechsel beeinflussen die methanogene Gemeinschaft in Reisfeldböden
title: Rice plants, drainage and crop rotation influence the methanogenic community in rice field soil
title: Rice plants, drainage and crop rotation influence the methanogenic community in rice field soil
Creators: name: Breidenbach, Björn
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: 16S rRNA
qPCR
gom arc I
methanogen
Archaeen
Bakterien
Mirkobielle Gemeinschaft
microbial community
Wasser
Fruchtfolgewechsel
Thaumarchaeota
Reis
Mais
Biowissenschaften, Biologie
Pyrosequencing
crop rotation

description: Reisfelder zeichnen sich durch
      Flutung während des Reisanbaus aus, was die Bildung von
      anoxischen Nischen begünstigt. In diesen Nischen findet der
      anaerobe Abbau von organischem Material bis hin zur Bildung
      von Methan durch methanogene Archaeen statt. Ein wesentlicher
      Teil des organischen Materials in Reisfeldern stammt von der
      Reispflanze selbst, welche Kohlenstoffverbindungen über ihr
      Wurzelsystem ausscheidet. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde
      der Einfluss der Reispflanze auf die mikrobielle Gemeinschaft
      im Boden untersucht. Die bakterielle Gemeinschaft unterschied
      sich dabei nur geringfügig in ihrer Zusammensetzung zwischen
      bepflanztem und unbepflanztem Reisfeldboden. Dabei zeigten
      unter anderem Geobacter und Opitutus eine höhere Abundanz im
      bepflanzten Boden. Während sich die Anzahl der Bakterien und
      der Archaeen im bepflanzten Boden verdoppelte, zeigte die
      Zusammensetzung der archaeellen Gemeinschaft wenig
      Veränderung. Zusammengefasst zeigten die Ergebnisse jedoch,
      dass die mikrobielle Gemeinschaft im Reisfeldboden stark an
      die Reispflanze und deren Wurzelexudation adaptiert ist.
      Aufgrund der stetig steigenden Weltbevölkerung ist ein
      Anstieg der Nachfrage für Ressourcen wie Wasser anzunehmen.
      Dies könnte eine eingeschränkte Verfügbarkeit an Wasser für
      den Reisanbau zur Folge haben. Alternative Anbaustrategien,
      die eine Reduzierung des Wasserverbrauchs im Vergleich zum
      konventionellen Reisanbau ermöglichen, rücken somit immer
      mehr in den Fokus. Der Fruchtfolgewechsel mit einer Pflanze
      wie Mais, die unter nicht gefluteten Feldbedingungen wächst,
      ist eine dieser Optionen. Der zweite Teil dieser Arbeit
      unterteilt sich daher in zwei Schwerpunkte: Unter
      Feldbedingungen wurde der Einfluss (I) der Wachstumsstadien
      der Reispflanze sowie (II) der von Feldbearbeitungsmaßnahmen
      wie der Dränage und dem Anbau von Mais unter nicht gefluteten
      Bedingungen auf die mikrobielle Gemeinschaft im Reisfeldboden
      untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass sich die
      Wachstumsstadien der Reispflanze nur begrenzt auf die
      Zusammensetzung und Aktivität der Mikroben auswirkten. Im
      Gegensatz dazu führten Dränage und der Anbau von Mais zu
      einer Abnahme der Abundanz der Mikroben. Desweiteren zeigten
      verschiedene bakterielle Gruppen eine Reaktion auf die
      Feldbearbeitungsmaßnahmen indiziert durch eine erhöhte
      relative Abundanz in den nicht gefluteten Feldern. Diese
      unterteilten sich in zwei Gruppen: (I) aerobe Organismen wie
      Spartobacteria und Sphingobacteria und (II) Bakterien, die
      unter substratlimitierten Bedingungen wachsen, wie
      Bacteroidetes und Acidobacteria. Im Gegensatz dazu blieb die
      archaeele Gemeinschaft weitestgehend unbeeinflusst.
      Interessanterweise wurden innerhalb der Ordnung der
      Methanosarcinales eine große Anzahl an GOM Arc I Spezies
      gefunden, die potentiell zur anaeroben Methanoxidation fähig
      sind. Desweiteren, wurde während der nicht gefluteten
      Bedingungen beobachtet, dass der Ribosomengehalt pro Zelle
      auf einem hohen Niveau gehalten wurde. Dies wurde als
      Stressantwort aller anaeroben Archaeen und Bakterien auf die
      ungünstigen aeroben Bedingungen interpretiert. Im dritten
      Teil dieser Arbeit wurden der Verlauf des Fruchtfolgewechsels
      und dessen Einfluss auf die mikrobielle Gemeinschaft im Boden
      über einen Zeitraum von zwei weiteren Jahren verfolgt. Nach
      Einführung der Maiskultivierung in das Reisökosytem erfolgte
      ein jährlicher Fruchtfolgewechsel mit Reis (geflutet) in der
      Regenzeit und Mais (nicht geflutet) in der Trockenzeit.
      Alternativ wurde in beiden Jahreszeiten Reis unter gefluteten
      Bedingungen angebaut. Die bakterielle Gemeinschaft zeigte
      eine geringe Reaktion auf den Fruchtfolgewechsel. Eine
      stärkere Veränderung erfolgte in der archaeellen
      Gemeinschaft. Ausgehend von einer von methanogenen Archaeen
      dominierten Gemeinschaft in den gefluteten Reisfeldern
      entwickelte sich in den nicht gefluteten Maisfeldern eine
      überwiegend aus aeroben Thaumarchaeoten bestehende
      Gemeinschaft. Innerhalb der Thaumarchaeoten wurde die Gruppe
      Soil Crenarchaeotic Group angereichert, welche hauptsächlich
      von Ammoniumoxidierern (Candidatus Nitrososphaera)
      repräsentiert wurde. Dies deutet darauf hin, dass der
      Oxidation von Ammonium möglicherweise eine höhere Bedeutung
      in nicht gefluteten Boden zukommt. Desweiteren, zeigten auch
      hier die methanogenen Euryarchaeoten unter nicht gefluteten
      Feldbedingungen eine Stressreaktion in Form einer erhöhten
      Ribosomenzahl pro Zelle. Das erneute Fluten in der Regenzeit
      ermöglichte den Euryarchaeoten allerdings nicht, sich wieder
      zu erholen und ihre ursprüngliche Abundanz zu erreichen. Die
      Ergebnisse dieser Arbeit lassen annehmen, dass die
      Reispflanze Einfluss auf die Mikroben im Reisfeldboden nimmt
      (erster Teil). Desweiteren führten Veränderungen in den
      Feldbearbeitungsmaßnahmen, wie Dränage und
      Fruchtfolgewechsel, zu einer schwachen kurzfristigen Reaktion
      der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft (zweiter Teil) und
      einer stärkeren langfristigen Reaktion der methanogenen
      Archaeen (dritter Teil).
description: The continuous flooding of rice
      fields results in anoxic conditions in the soil, creating an
      optimal habitat for anaerobic bacteria and methanogenic
      archaea. Furthermore, rice plants supply important nutrients
      for soil microbes by significantly contributing to the carbon
      pool by excreting carbon compounds through their root system.
      It is assumed that this supply of nutrients from the rice
      plants influences the microbial community structure and
      diversity, but this influence is poorly understood. The first
      part of this thesis investigates the impact of the rice plant
      and its growth stages on the microbial community inhabiting
      flooded rice field soil. In a greenhouse experiment we showed
      that the presence of the rice plant leads to increased growth
      of both Archaea and Bacteria by detecting a doubling of the
      16S rRNA gene copies. The overall microbial community
      composition was mainly similar in planted and unplanted soil.
      However, specific bacterial lineages were more abundant in
      the presence of the rice plant (e.g Geobacter). In the
      planted soil major OTUs increased in relative abundance with
      plant growth stage, indicating that the rice growth stages
      and dynamics in root exudation influenced the microbial
      community. Together, these results suggest that the microbial
      community in the rice field soil is highly adapted to the
      presence of rice plants, possibly because of the
      plant-supplied carbon compounds in the soil. The traditional
      method for rice cultivation is the flooding of the field.
      However, with the anticipated increase in the human
      population the demand on resources such as water will
      increase. Therefore, rice farmers will probably face periods
      of restricted water availability. A method decreasing the
      water demand of rice cultivation is the rotation with plants
      cultivated under upland conditions such as maize, which
      require less water. Therefore, the second part of this thesis
      deals with the influence of the rice plant growth stages,
      field conditions and maize cultivation on the microbial
      community in rice field soil. During the plant growth stages
      we detected only minor changes in abundance, composition and
      activity of both archaeal and bacterial communities. In
      contrast, changes in field management such as drainage and
      the cultivation of maize resulted in comparatively stronger
      changes in the bacterial community. Bacterial lineages that
      increased in relative abundance under non-flooded conditions
      were either aerobes such as Spartobacteria and
      Sphingobacteria or were characterized by their ability to
      grow under low substrate conditions such as Bacteroidetes and
      Acidobacteria. Besides archaeal lineages commonly found in
      rice fields (Methanosarcinaceae, Methanosaetaceae,
      Methanobacteriaceae and Methanocellaceae) we found notably
      high numbers of GOM Arc I species within the order of
      Methanosarcinales, which may be anaerobic methane oxidizers.
      The archaeal community remained mainly unchanged throughout
      the monitored season. Interestingly, we observed increased
      ribosomal RNA levels per cell under the drained conditions.
      As these conditions were unfavorable for anaerobic bacteria
      and methanogenic archaea we interpreted this behavior as
      preparedness for becoming active when conditions improve. In
      the third part of the thesis we followed the introduction of
      maize cultivation and concomitant non-flooded conditions on
      fields that had previously been managed as flooded rice
      fields. The crop rotation was monitored for two additional
      years. Thereby we found only minor differences in the
      bacterial community abundance and activity in the rotational
      fields in comparison to flooded rice fields. Acidobacteria
      and Anaeromyxobacter spp. were enriched in the rotational
      fields while members of anaerobic Chloroflexi and sulfite
      reducing members of Deltaproteobacteria were found in higher
      abundance in the rice fields. In contrast, we showed that
      rotation of flooded rice and upland maize lead to dramatic
      changes in the archaeal community, indicated by a decrease of
      anaerobic methanogenic lineages and an increase of aerobic
      Thaumarchaeota. This was especially apparent in the strong
      enrichment of Thaumarchaeota of the Soil Crenarchaeotic
      Group, mainly Candidatus Nitrososphaera, indicating the
      increasing importance of ammonia oxidation during drainage.
      Combining qPCR and pyrosequencing data again revealed
      increased ribosomal numbers per cell for methanogenic species
      during crop rotation. This stress response, however, did not
      allow the methanogenic community to recover in the rotational
      fields during the season of re-flooding and rice cultivation.
      This thesis provides evidence that the rice plants influence
      the microbial community in the soil (first part), and that
      alterations in field management such as drainage or maize
      cultivation under upland conditions have minor immediate
      effects on the overall microbial community (second part) but
      more strongly pronounced long term effects mainly on the
      archaeal community (third part).