Synthese und Meta-Analyse mikrobieller Daten für die Biodiversitäts- Exploratorien


Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Michael Bonkowski

(Uni Köln)

Prof. Dr. Francois Buscot

(Helmholtz Zentrum für Umweltforschung- UFZ, Halle)

Prof. Dr. Rolf Daniel

(Uni Göttingen)

Prof. Dr. Ellen Kandeler

(Uni Hohenheim)

Prof. Dr. Jörg Overmann

Dr. Johannes Sikorski

Dr. Yu Shang

(DSMZ Braunschweig)

Hypothesen:

1. Die mikrobielle Diversität des Bodens ist nicht zufällig verteilt sondern zeigt vorhersehbare Muster.
2.
Änderungen der mikrobiellen Diversität sind mit dem Nährstoffkreislauf, Landnutzungsgradienten, Pflanzendiversität und –Produktivität gekoppelt.
3.
Gen- und Enzymexpressionen kontrollieren die Vielfalt von Bodeneigenschaften auf zellulärer Ebene.
4.
Die Zusammensetzung bakterieller Arten bestimmt die Variabilität auf Gemeinschaftsebene.
5.
Die Interaktion von Bodenorganismen mit ihrer Umwelt erfolgt auf der Ebene des Habitats.

Mikrobielle Gemeinschaften im Boden weisen die höchste Diversität auf.

Die hohe Anzahl spezifischer physiologischer Aktivitäten von Bodenbakterien lassen diese zu wichtigen Komponenten biogeochemischer Nährstoffkreisläufe, Bodenfruchtbarkeit und Schädlingskontrolle werden. Substrataffinität, spezifischer Umsatzraten sowie metabolische Regulation kann sich in verschiedenen bakteriellen Arten deutlich unterscheiden. Bodenpilze spielen eine zentrale Rolle im Abbau und Verwertung schwer abbaubarer Kohlenstoffe. Die Protozoen im Boden konsumieren Bakterien und stellen damit die Grundlage der Nahrungskette höherer Lebewesen (bis zu Tieren und Pflanzen) dar. Neben der hohen mikrobiellen Biodiversität stellt die heterogene Struktur des Bodens auf der Mikroskala (wenige Mikrometer) eine zusätzliche methodische und konzeptionelle Herausforderung für die Erforschung des Zusammenhangs mikrobieller Diversität und biotischen wie abiotischen Umweltbedingungen dar. Während die Erforschung höherer Gruppen (Tiere, Pflanzen) sehr wohl vertiefte Einblicke über die Struktur und Interaktion auf verschiedensten Ebenen der Nahrungskette ergeben hat, sind die Erkenntnisse über die Mechanismen der funktionellen Kopplung unterschiedlicher mikrobieller Gruppen, den unterschiedlichen Ebenen der trophischen Nahrungskette, ökosystemaren Funktionen und Landnutzung noch sehr gering.

 

Unser Projekt möchte neuartige Ansätze entwickeln, um die Diversität von Bakterien, Pilzen und Protozoen in eine Meta-Analyse zu integrieren und zu modellieren. Das Ziel ist es, neue Hypothesen zu biotisch-abiotischen Interaktionen zu entwickeln und somit Biodiversitätsmuster präziser vorhersagen zu können. Die Ergebnisse sollen dann durch experimentelle Ansätze in den Biodiversitäts-Exploratorien überprüft werden. Folgende Planziele bzw. Kernfragen sollen verfolgt werden:

1. Bestimmung von a-, ß-, y-Diversität von Mikroorganismen-Gemeinschaften sowie räumlicher Ausbreitungsmuster von Arten.
2. Die Auflösung zeitlicher Änderung von Struktur und Funktion mikrobieller Gemeinschaften.
3. Wie hoch ist der Grad funktioneller Redundanz?
4. Welchen Einfluss hat Landnutzung auf die Vielfalt bakterieller Arten und somit auf Ökosystemfunktionen?
5. Wie lassen sich Interaktionen zwischen mikrobiellen Gemeinschaften und höheren Gruppen in Nahrungsnetze integrieren?
6. Welche Umweltfaktoren treiben die Zusammensetzung und Funktion von Bodenlebewesen?
7. Welche Kopplungen bestehen zwischen den Lebewesen im Boden (belowground) und denen, die die Bodenoberfläche bewohnen (aboveground)?
8. Es sollen Strategien entwickelt werden, um molekulare Daten vergleichbar zu machen, die mittels unterschiedlicher Methoden erhoben wurden. Dies erhöht das Potenzial, unterschiedliche organismische Gruppen besser vergleichen zu können.
9. Es sollen neue Werkzeuge für Biodiversität, Statistik und Modellierung entwickelt werden, um mikrobielle Diversität besser analysieren zu können.

Zu Beginn des Projektes soll eine Bestandsaufnahme aller verfügbarer Datensätze und bisherig erfolgten multivariaten Analysen erfolgen. Desweiteren sollen in einem koordinieren Ansatz bioinformatische Analyse-Abläufe (pipeline) entwickelt werden, um Daten unterschiedlicher Auflösung und Qualität miteinander verrechnen zu können.

Basierend auf der Erfahrung der beteiligten Forschergruppen sollen die multivariaten Analyse-Techniken weiterentwickelt werden. Das Konzept der sogenannten „Price-Equation“ soll verwendet werden, um die separaten Effekte phyiologischer, evolutiver und genetischer Änderungen in Gemeinschaften quantifizieren zu können. Ebenso sollen Pfad-Analyse und Strukturgleichungsmodelle verwendet werden um kausale Zusammenhänge und Rückkopplungsmechanismen in Bodenökosystemen aufzuklären.

Das Ziel ist es, ökologische Netzwerke mit ihren Schlüsselarten zu erkennen und ihre Veränderungen in Abhängigkeit des Landnutzungsgradienten zu erforschen.

 

Projekt in vorigen Phasen

 

Weitere Projektbeteiligung von Prof. Dr. Michael Bonkowski: PATHOGEN
Vergangene Projektbeteiligung von Prof. Dr. Michael Bonkowski: NanoFauna

Weitere Projektbeteiligung von Prof. Dr. Francois Buscot: BLD-FFD-HZG II, Microorganisms
Vergangene Projektbeteiligung von Prof. Dr. Francois Buscot: Funwood I-III, SOILFUNGI

Vergangene Projektbeteiligung von Prof. Dr. Rolf Daniel: Soilomics

Weitere Projektbeteiligung von Prof. Dr. Ellen Kandeler: SCALEMIC

Weitere Projektbeteiligung von Prof. Dr. Jörg Overmann, Dr. Johannes Sikorski: ProFunD II
Vergangene Projektbeteiligung von Prof. Dr. Jörg Overmann
, Dr. Johannes Sikorski: ProFIL

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