Kopplung von Totholzabbau und Stickstoffkreislauf: Diversität und Funktion von Diazotrophen

Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Werner Borken

Christina Groß

(Uni Bayreuth)

Prof. Dr. Matthias Noll

Sebastian Knorr

(Hochschule Coburg)

 

Hintergrund

Totholzstämme sind ein hoch diverser Lebensraum vieler Arten, die zum Teil den Abbau von Totholz vollziehen und somit zum Kohlenstoff- (C) und Nährstoffkreislauf in Waldökosystemen beitragen. Unser Projekt ist auf den mikrobiellen Totholzabbau fokussiert, der vorrangig von Weiß- und Braunfäulepilzen und assoziierten Bakterien und Archaeen durchgeführt wird. Insbesondere in der Anfangsphase des Totholzzerfalls ist Stickstoff (N) nur in geringen Mengen verfügbar. Die holzzersetzenden Enzyme der Pilze und die Synthese der pilzlichen chitinhaltigen Zellwand benötigen signifikante Mengen an N. Somit limitiert eine geringe Stickstoffverfügbarkeit den Abbauprozess. Es wurde bereits gezeigt, dass mikrobielle Stickstofffixierung durch Diazotrophe in Totholzstämmen stattfindet und freilebende Bakterien und Archaeen daran beteiligt sind. Neben ihrer Fähigkeit zur 15N2-Fixierung und ihrer Anwesenheit auf Totholz, ist jedoch wenig über die funktionelle Diversität und Aktivität von Diazotrophen in Bezug auf Totholzstämme und deren Einfluss auf den Holzabbauprozess bekannt.

 

Ziele und Hypothesen

Der Fokus des WOODSTOCK-Projektes liegt auf der Erforschung der funktionellen Biodiversität sowie Ökosystemprozessen an der Schnittfläche von Mikroorganismen im Wald und der Kohlenstoffverfügbarkeit von Totholzstämmen. Wir befassen uns mit den Beziehungen zwischen Menge, Aktivität und Diversität von Diazotrophen und der Zersetzung von Baumstämmen von 13 Baumarten unter dem Einfluss des Forstmanagements, des Standortes und der assoziierten Umweltparametern.

Um diese Fragestellung zu beantworten, stellen wir folgende Hypothesen auf:

  1. Die 15N2-Fixierungsrate und die Abundanz der Diazotrophen in Totholz unterscheidet sich zwischen Baumarten, Forstmanagement und Exploratorien.
  2. Die 15N2-Fixierung wird durch Temperatur sowie C und Sauerstoffverfügbarkeit (O) in den Stämmen beeinflusst.
  3. Die Zusammensetzung der stickstofffixierenden mikrobiellen Gemeinschaft und die 15N2-Fixierung unterscheiden sich entlang eines radialen Gradienten vom Stammäußeren zum Stamminneren. Moose, die die Stämme bedecken, sind ein spezieller Lebensraum für Diazotrophe und eine Netto-N-Quelle.
  4. Diversität und Aktivität der Diazotrophen und totholzzersetzenden Pilze sind aufgrund ihres Kohlen- und Stickstoffbedarfs stark miteinander verbunden. Daher unterscheidet sich die Aktivität und Menge der Diazotrophen zwischen Anfangs- und fortgeschrittenen Zersetzungsstadien.

 

Methoden

Das WOODSTOCK-Projekt kombiniert aktuelle Techniken aus der Nukleinsäure-basierten Analytik und der Elementaranalytik:

  1. Die Stickstofffixierungrate wird über eine 15N2-Inkubation bestimmt. Totholzfragmente werden für 72 Stunden unter einer 15N2-angereicherten Atmosphäre inkubiert. Aus der Differenz der δ15N Signaturen im Holz vor und nach der Inkubation, kann die 15N2-Fixierungsrate berechnet werden.
  2. Um Quantität und Diversität der Diazotrophen auf Totholzstämmen zu bestimmen, werden sowohl quantitative PCR-Methoden als auch Amplikonsequenzierung basierend auf Markergenen eingesetzt.
  3. Es wird ein antikörperbasierter Pull-Down-Ansatz unter Verwendung von Bromodesoxyuridin (BrdU) als Markierungsreagenz durchgeführt, um speziell die proliferierende und damit aktive Fraktion der diazotrophen Gemeinschaft aus einer komplexen mikrobiellen Gemeinschaft zu analysieren.
  4. Konzentrationen von CO2, O2, CH4, Einfach- und Mehrfachzuckern sowie Nährstoffen (N, P, S, K, Ca, Mg, etc.) werden bestimmt, um Verknüpfungen zwischen Kontrollfaktoren der 15N2-Fixierung und der diazotrophen Gemeinschaft herzustellen.

 

Der so erhaltene Datensatz gibt nicht nur die Möglichkeit, Aussagen über den Einfluss der Diazotrophen auf den Holzabbau zu tätigen, sondern ermöglicht auch Korrelationen einer Fülle von weiteren mit den Flächen und den Totholzstämmen direkt verknüpften Datensätzen wie zum Beispiel der Waldbewirtschaftungsintensität und weiteren abiotischen Umweltfaktoren.