Soil Multi-Meta-Omics: Unraveling microbial regulation at three post-genomic levels
2024-01-01

Bodenfunktionen haben global eine enorme Wichtigkeit in allen Ökosystemen, insbesondere spielen Böden eine entscheidende Rolle in ökosystemweiten biogeochemischen Stoffkreisläufen, beim Speichern aber auch Mineralisieren von Kohlenstoff (C) und damit zusammenhängend beim Freisetzen von Nährstoffen aus der organischen Bodensubstanz (soil organic matter, SOM). In dieser Dissertation soll unser Verständnis der Schlüsselfunktionen des Bodens im C- und Nährstoffkreislauf verbessert werden. Der Fokus liegt dabei auf einer Feldstudie aus einem Graslandökosystem, wo Veränderungen der Stöchiometrie einem Degradationsprozess unterliegen. Dies hat Konsequenzen für die Interaktionen der Bakterien und Pilze, sowie ihren C- und Nährstoffkreisläufen. Die Beziehung zwischen mikrobiellen Schlüsselfunktionen zur Stöchiometrie wird danach durch ein Laborexperiment, in welchem ein ganzheitliches Verständnis der Regulation des mikrobiellen Metabolismus durch C- und Nährstoffverfügbarkeit generiert werden soll, weiter vertieft.&#13;\\n&#13;\\nDas Tibetische Hochland speichert 2,5% des weltweiten bodengebundenen organischen Kohlenstoffs (soil organic carbon, SOC) in seinen Kobresia pygmaea Graslandschaften. Die Degradation des Oberbodens, welche durch den Klimawandel und Überweidung mit Nutztieren hervorgerufen wird, führt zu einem substanziellen Verlust des SOC und Stickstoffs (N), beide lebensnotwendige Elemente für Flora und Fauna. Die Erosion und der Schwund der C Quellen durch den verminderten C-Eintrag und erhöhte C-Mineralisierung erzwingt einen Wechsel in der taxonomischen Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und in der Konsequenz eine Veränderung der Enzymaktivitäten. Dies führt zu einer Verlagerung der mikrobiellen Funktionen von der Verwendung von hydrolytischen Enzymen hin zu Enzymen, die zur Oxidierung von verbleibender persistenter organischen Bodensubstanz in der Lage sind. Dies ist der initiale Schritt der zweiten Phase der Degradation der Wurzelmatten des Graslandes und verhindert, dass Kobresia weiterhin auf den degradierten Flächen wachsen kann. Da der Wechsel zu oxidierenden Enzymen durch einen Mangel an C und Nährstoffen in der mikrobiellen Gemeinschaft verursacht wird, waren weitere Laborexperimente, zur Ergründung der Antwort des mikrobiellen Metabolismus erforderlich. Besonders der Kohlenstoffbasismetabolismus hilft dabei das Verständnis von Veränderungen in den Wachstumsmodi der mikrobiellen Gemeinschaften zu vertiefen: Unter welchen Bedingungen reicht der verfügbare Kohlenstoff aus, um in die Erzeugung neuer Biomasse investiert zu werden? Wie reagiert eine natürliche mikrobielle Gemeinschaft im Boden wenn C rar wird oder C im Überfluss vorhanden ist? Unter welchen Bedingungen investiert sie “nur” in die Neubildung von Speicherstoffen und nicht in Wachstum? Wie wirkt sich die Nährstoffverfügbarkeit in diesem Zusammenhang auf die C Verfügbarkeit aus? Es ist daher notwendig die regulativen Prozesse von der Transkription vom C-Basismetabolismusgenen hin zu der Translation er vorhandenen Proteine zu verstehen und die C-Flüsse des mikrobiellen Metabolismus nachzuverfolgen.&#13;\\n&#13;\\nFür das Feldexperiment in Tibet wurde die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft mittels terminalem Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (t-RFLP) und Illumina MiSeq Sequenzierung gemessen. Des Weiteren wurden die Enzymaktivitäten von SOM zersetzenden Enzymen und Enzyme des N-Kreislaufs gemessen. Da es unmöglich ist diese essenziellen Forschungsfragen aus einem Feldexperiment heraus zu beantworten, sie der Fokus eines Laborexperiments mit natürlichem, landwirtschaftlich genutztem Boden. Unter kontrollierten Laborbedingungen war es möglich die Glukosemengen gezielt zu manipulieren indem geringe und hohe Glukosekonzentrationen, sowie Stickstoff- und Phosphatnährstoffe zugesetzt wurden. Während der Experimentdauer von 96 h, wurden nach 24 und 96 h Mikrokosmen geerntet, um Messungen für Phospholipid- (PLFA) und Neutral-Fettsäuren (NLFA), Polyhydroxybuttersäure (PHB), Kohlenstoff in der mikrobiellen Biomasse (microbial biomass carbon, MBC), dem Metatranskriptom und Metaproteom durchzuführen. Für die 13C Fluss-Modellierung wurden die Glukoselösungen zusätzlich mit uniform- und positions-spezifischen 13C Glukose-„Tracer“-Lösungen versetzt und das freigesetzte 13CO2 in Zeitintervallen gemessen. &#13;\\n&#13;\\nDie Degradation der Kobresia Weiden führte zu einer Veränderung der Struktur der mikrobiellen&#13;\\nGemeinschaft, im Besonderen bei deren Mykorrhiza-Partnern. Die Degradation des Graslandes und der Verlust des Oberbodens führte zu einer Verschiebung in der Zusammensetzung der Vegetation und deren assoziierten Mykorrhizapilzen. Zu Anfang ist Kobresia pygmeae mit arbuskulärer Mykorrhiza verbunden, aber mit den zunehmenden Folgen der Degradation wechselt Kobresia zu einer Partnerschaft mit Ektomykorrhizapilzen. Nach dem Verschwinden von Kobresia, verlassen sich die nachfolgenden Sträucher wieder auf arbuskuläre Mykorrhia-Partner. Des Weiteren änderte sich auch die bakterielle Gemeinschaft hin zu Spezies welche komplexe SOM abbauen können und nitrifizierende Bakterien laugen die Nährstoffspeicher des Plateaus weiter aus. Ähnlich ist die reduzierte C Verfügbarkeit im Boden mit der regulativen Veränderung des mikrobiellen C Stoffwechsels aus dem Laborexperiment verbunden: Die C-Flussmodellierung ergab, dass C Flüsse unter niedrigen Glukosekonzentrationen primär eher in die katabole Glykolyse geleitet werden als in den anabolen Pentosephosphatweg. Nach der Glykolyse tritt der C-Fluss aus dem Acetyl-CoA normalerweise in den stark katabolen Tricarbonsäurezyklus (TCA) ein, wo die meiste Energie gewonnen werden kann. Allerdings konnte durch die C-Flussmodellierung festgestellt warden, dass C-Flüsse aus dem Acetyl-CoA in Richtung Speicherstoffbildung gelenkt wurden, wenn niedrige Glukosekonzentrationen vorherrschen. Dies weist auf eine bevorratende Speicherstoffstrategie der mikrobiellen Gemeinschaft hin, welches durch die Messungen von Triglyceriden (TAG) unterstützt wurde. Im Gegensatz dazu, ergab die direkten Messungen des Speicherstoffmetabolites PHB eine starke Beteiligung an der Bildung von Biomasse unter Glukose C Überschuss, eine eine Rücklagenspeicherstoffsttrategie. Beide Speicherstoffe erfüllen somit unterschiedliche Rollen in den Wachstumsmodi der mikrobiellen Gemeinschaften. Die starken negativen Wechselwirkungen zwischen dem Tricarbonsäurezyklus- (TCA) und dem Speicherstoff-Pfad im Metatranskriptom und dem Metaproteom untermalen die Wichtigkeit von Speicherstoffbildung, welche eine intermediäre C Quelle für die mikrobielle Gemeinschaft darstellt. Speicherstoffe sind jedoch keine langanhaltenden SOC-Speicher im Ökosystem. &#13;\\n&#13;\\nIn der Schlussfolgerung sorgen Umweltveränderungen wie der Klimawandel oder anthropogen verursachte Degradation für nachteilige Konsequenzen für die mikrobielle Gemeinschaft im Boden durch einen hervorgerufenen Wechsel in deren struktureller Zusammensetzung und Funktionsweise mit Auswirkungen auf etlichen Ebenen des Ökosystems. C Verfügbarkeit und Gehalt spielen große Rollen in den regulativen Prozessen der post-genomischen Ebenen im Vergleich zu anderen Nährstoffen, da C der limitirendste Faktor für die Bakterien und Pilze des Bodens ist. Die Bildung von Speicherstoffen scheint eine weitaus größere Rolle im C Zyklus des Bodens zu spielen als bisher angenommen. Gut etablierte molekularbiologische Methoden auf der Genomebene können einen groben Überblick über die Strukturen der mikrobiellen Gemeinschaften – und in begrenztem Umfang – auch über deren Funktionen geben, aber Metatranskriptomiks, Metaproteomiks und Meta-Fluxomiks erweitern diese Einsicht in den mikrobiellen Metabolismus und vertiefen das Verständnis über mikrobielle Reaktion auf Umweltveränderungen. Jedoch sind die Richtungen der Regulation in der Transkription, der Translation und der Kohlenstoffflüsse zu Energieproduktion, Replikation oder Speicherstoffbiosynthese nicht immer schlüssig. Daher bleibt die Interpretation der Regulationsprozesse im Besonderen in natürlichen mikrobiellen Umgebungen ein komplexes und schwieriges Unterfangen, welches jedoch bei einer Vertiefung vergleichender und zeitlich aufgelöster Ansätze einen tiefgreifenderen Einblick in den mikrobiellen C Metabolismus erlaubt.