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Während zeitliche Muster der mikrobiellen Abundanz und Funktion des Bodens für verschiedene landwirtschaftliche Ökosysteme gut bekannt sind, war nicht klar, ob die räumliche Verteilung der Bodenorganismen innerhalb einer Saison konstant ist. Daher war es interessant zu wissen, ob sich die räumliche Verteilung verschiedener Taxa und verschiedener mikrobieller Bodenprozesse während einer Vegetationsperiode ändert. Interaktionen von Mikroorganismen mit ihrer Mikroumgebung könnten Konsequenzen für ihre Funktionsweise auf der Plot-Skala haben. Zum Beispiel würde eine hohe Empfindlichkeit bestimmter Bakterientaxa gegenüber Trockenheit den räumlichen Abstand zwischen diesen Mikroorganismen im Sommer erhöhen, während die Trockentoleranz anderer Bakterientaxa ein eher konstantes Muster dieser toleranten Mikroorganismen hervorrufen könnte. Auf der Ebene des Funktionierens der Gemeinschaft könnte die lokale Stabilität von Enzymen saisonale Verschiebungen im lokalen Abbau verschiedener Substrate induzieren. Saisonale Muster der Biogeographie sollten daher auf molekularer, zellulärer und prozessbasierter Ebene untersucht werden.


Diese Studie bot eine Plattform für verschiedene Projekte im Rahmen der Biodiversitäts-Exploratorien, um die räumliche und zeitliche Verteilung von Bodenbakterien, die genetische Struktur von Bakterienpopulationen und ihre Funktionen an Grünlandstandorten unter verschiedenen Landnutzungsintensitäten zu klären. Während der ersten Phase (2008 -2011) des Projekts konzentrierten wir uns auf räumliche Muster chemischer und biologischer Eigenschaften auf einer Skala von 10 x 10 m unter Verwendung von neun Parzellen in jedem Exploratorium (VIP). In der zweiten Phase (2011-2014) erweiterten wir unser Konzept und luden Kollegen mit unterschiedlicher Expertise in der Bodenökologie und molekularen Mikrobiologie ein, um unsere Forschung auf dieser Skala zu erweitern. Das wichtigste Ziel war es, zu untersuchen, ob saisonale Veränderungen der biotischen und abiotischen Faktoren die Biogeographie der Bodenmikroorganismen auf der Plot-Skala (10 x 10 m) verändern.


Wir stellten die Hypothese auf, dass
(i) wir durch eine zeitlich und räumlich intensive Untersuchung eines extensiv genutzten Grünlandes auf der Plot-Skala (10 m x 10 m) räumliche Veränderungen in der mikrobiellen Biogeographie erkennen können, und
(ii) dass dieser Stichproben-Ansatz klären würde, inwieweit die von uns beobachteten mikrobiellen Raumstrukturen mit Phasen des Pflanzenwachstums und abiotischen Bodeneigenschaften korreliert sind. Wir erwarteten auch, Einblicke in die Persistenz der mikrobiellen Raumstruktur und der Beziehungen der mikrobiellen Gemeinschaften mit ihrer Umwelt zu gewinnen.


Bodenproben wurden auf einem Grünland mit geringer Nutzungsintensität auf der Schwäbischen Alb (AEG31) zu sechs Zeitpunkten innerhalb einer Saison entnommen, um die folgenden Stadien des Substratangebots durch die Pflanzengemeinschaften abzudecken: zu Beginn der Vegetationsperiode, während der Hauptwachstumsphase, am Höhepunkt der Pflanzenbiomasse, zwei Wochen nachdem das Grünland gemäht wurde, neun Wochen nach der Mahd und zwei Wochen, nachdem es beweidet wurde, sowie nach dem ersten Frost. Zu jedem Beprobungszeitpunkt haben wir 60 Punkte für die lokale Schätzung der Zusammensetzung der Pflanzengemeinschaft und für Bodenproben ausgewählt. Die Gesamtzahl von 60 Proben garantiert, dass wir mindestens 30 Paare mit geringen Abständen (min. 50 cm) hatten. Mitglieder der Gruppe von D. Prati (Bern) waren für die Quantifizierung der Pflanzenbiomasse, der relativen Abundanz und des Entwicklungsstadiums der Pflanzen innerhalb eines Bereichs um jeden Probenahmepunkt (20 x 20 cm) verantwortlich. Der zentrale Teil dieser Fläche wurde für Bodenproben mit einem Bodenbohrer (58 mm Durchmesser) bis zu einer Tiefe von 10 cm verwendet.


Der multidisziplinäre Ansatz ermöglichte die Aufklärung der räumlich-zeitlichen Variation funktioneller Merkmale und der Diversität von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen auf verschiedenen taxonomischen Ebenen (siehe Liste der Publikationen unten).

Die räumliche Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft war im Frühjahr und Herbst positiv mit der lokalen Umgebung, d. h. den physikalischen und chemischen Bodeneigenschaften, korreliert, während die Dichte und Diversität der Pflanzen im Sommer einen zusätzlichen Einfluss zeigte (Regan et al. 2014, 2015). Räumliche Beziehungen zwischen Pflanzen- und mikrobiellen Gemeinschaften wurden nur im Frühsommer und Herbst festgestellt, wenn die oberirdische Biomasse am schnellsten zunahm und ihr Einfluss auf die mikrobiellen Gemeinschaften im Boden aufgrund der erhöhten Nachfrage der Pflanzen nach Nährstoffen am größten war. Einzelne Eigenschaften wiesen im Laufe der Saison unterschiedliche Grade der räumlichen Struktur auf. Es wurden unterschiedliche Reaktionen von Gram-positiven und Gram-negativen Bakteriengemeinschaften auf saisonale Verschiebungen der Bodennährstoffe festgestellt. Wir kamen zu dem Schluss, dass sich die räumlichen Verteilungsmuster von Bodenmikroorganismen im Laufe einer Saison ändern und dass chemische Bodeneigenschaften wichtigere Steuerungsfaktoren sind als Pflanzendichte und -Pflanzendiversität.

Am Beispiel der am N-Kreislauf beteiligten Mikroorganismen konnten wir zeigen, dass die saisonalen Veränderungen der Abundanzen von Markergenen für gesamte Archaeen und Bakterien (16S rRNA), stickstofffixierende Bakterien (nifH), ammoniakoxidierende Archaeen (amoA AOA) und Bakterien (amoA AOB) sowie denitrifizierende Bakterien (nirS, nirK und nosZ) mit Veränderungen der Substratverfügbarkeit in Verbindung mit Pflanzenwachstumsstadien einhergehen (Regan et al. 2017). Potenzielle Nitrifikations- und Denitrifikationsenzym-Aktivitäten waren auf der untersuchten Skala stark räumlich strukturiert, entsprechend den Perioden schnellen Pflanzenwachstums im Juni und Oktober, und die räumlichen Verteilungen waren ähnlich, was einen visuellen Hinweis auf stark lokalisierte räumliche und zeitliche Bedingungen auf dieser Skala liefert. Die zeitliche Variabilität der am N-Kreislauf beteiligten Mikroorganismen im Vergleich zur Stabilität ihrer jeweiligen potenziellen Aktivitäten lieferte Hinweise sowohl auf eine kurzlebige zeitliche Nischenaufteilung, als auch auf ein gewisses Maß an mikrobieller funktioneller Redundanz. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass in einem ungedüngten Grünland auf der Meterskala die Abundanzen der am N-Kreislauf beteiligten Mikroorganismen vorübergehende Veränderungen aufweisen können, während die Prozesse im N-Kreislauf weitgehend stabil bleiben.


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Einfluss der Landnutzungsintensität auf die mikrobielle Bio-masse von Grünlandböden
Bauer C. (2018): Einfluss der Landnutzungsintensität auf die mikrobielle Bio-masse von Grünlandböden. Bachelor thesis, University Hohenheim
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Die Landnutzungsintensität verändert die räumliche Verteilung und Funktion von Bodenmikroorganismen im Grünland
Berner D., Marhan S., Keil D., Schützenmeister A., Piepho H.-P., Poll C., Kandeler E. (2010): Land-Use Intensity Modifies Spatial Distribution and Function of Soil Microorganisms in Grasslands. Pedobiologia 54 (5-6), 341-351. doi:10.1016/j.pedobi.2011.08.001
Mehr Informationen:  doi.org
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Impact of soil disturbance on microorganisms in differently managed grassland soils linked to the ecosystem resilience
Binder I. (2016): Impact of soil disturbance on microorganisms in differently managed grassland soils linked to the ecosystem resilience. Master thesis, University Hohenheim
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Räumliche und zeitliche Variationen von Mikroorganismen in Grünlandböden - Einflüsse von Landnutzungsintensität, Pflanzen und Bodeneigenschaften
Boeddinghaus R. S. (2019): Spatial and temporal variations of microorganisms in grassland soils - influences of land-use intensity, plants and soil properties. Dissertation, University Hohenheim
Mehr Informationen:  opus.uni-hohenheim.de
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Veränderungen von funktionellen Pflanzeneigenschaften erklären parallele Veränderungen in der Struktur und Funktion mikrobieller Gemeinschaften in Grünlandböden
Boeddinghaus R. S., Marhan S., Berner D., Boch S., Fischer M., Hölzel N., Kattge J., Klaus V. H., Kleinebecker T., Oelmann Y., Prati D., Schäfer D., Schöning I., Schrumpf M., Sorkau E., Kandeler E., Manning P. (2019): Plant functional trait shifts explain concurrent changes in the structure and function of grassland soil microbial communities. Journal of Ecology 107 (5), 2197-2210. doi: 10.1111/1365-2745.13182
Mehr Informationen:  doi.org
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Boeddinghaus R. S., Marhan S., Gebala A., Haslwimmer H., Vieira S., Sikorski J., Overmann J., Soares M., Rousk J., Rennert T., Kandeler E. (2021): The Mineralosphere – Interactive zone for microbial colonization and carbon use in grassland soils. Biology and Fertility of Soils 57, 587–601. doi: 10.1007/s00374-021-01551-7
Mehr Informationen:  doi.org
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Gibt es allgemeine räumliche Verteilungsmuster von mikrobieller Biomasse und Enzymaktivitäten in Grünlandböden?
Boeddinghaus R. S., Nunan N., Berner D., Marhan S., Kandeler E. (2015): Do general spatial relationships for microbial biomass and soil enzyme activities exist in temperate grassland soils? Soil Biology & Biochemistry 88, 430-440. doi: 10.1016/j.soilbio.2015.05.026
Mehr Informationen:  doi.org
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Einfluss der Landnutzungsintensität auf die mikrobielle Biomasse und Enzymaktivitäten im Rhizosphärenboden verschiedener Grünlandpflanzenarten
Boob M. (2015): Einfluss der Landnutzungsintensität auf die mikrobielle Biomasse und Enzymaktivitäten im Rhizosphärenboden verschiedener Grünlandpflanzenarten. Master thesis, Universität Hohenheim
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Einfluss von Landnutzungsintensität auf Mikroorganismen in Grünlandböden der Schwäbischen Alb
Breuer B.S. (2008): Einfluss von Landnutzungsintensität auf Mikroorganismen in Grünlandböden der Schwäbischen Alb. Bachelor Thesis, University Hohenheim
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Fiore-Donno A. M., Richter-Heitmann T., Degrune F., Dumack K., Regan K. M., Mahran S., Boeddinghaus R. S., Rillig M. C., Friedrich M. W., Kandeler E., Bonkowski M. (2019): Functional Traits and Spatio-Temporal Structure of a Major Group of Soil Protists (Rhizaria: Cercozoa) in a Temperate Grassland. Frontiers in Microbiology 10:1654. doi: 10.3389/fmicb.2019.01654
Mehr Informationen:  doi.org
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Räumliche Heterogenität mikrobieller Enzymaktivitäten in Grünlandböden der Schwäbischen Alb
Glatzle S.(2008): Räumliche Heterogenität mikrobieller Enzymaktivitäten in Grünlandböden der Schwäbischen Alb. Bachelor thesis, University Hohenheim
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Goldmann K., Boeddinghaus R. S., Klemmer S., Regan K. M., Heintz-Buschart A., Fischer M., Prati D., Piepho H.-P., Berner D., Marhan S., Kandeler E., Buscot F., Wubet T. (2020): Unraveling spatio‐temporal variability of arbuscular mycorrhiza fungi in a temperate grassland plot. Environmental Microbiology 22 (3), 873-888. doi: 10.1111/1462-2920.14653
Mehr Informationen:  doi.org
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Die Mineralosphäre – Sukzession und Physiologie von Bakterien und Pilzen während der Besiedlung reiner Minerale in Grünlandböden mit unterschiedlicher Landnutzungsintensität
Kandeler E., Gebala A., Boeddinghaus R. S., Müller K., Rennert T., Soares M., Rousk J., Marhan S. (2019): The mineralosphere – Succession and physiology of bacteria and fungi colonising pristine minerals in grassland soils under different land-use intensities. Soil Biology and Biochemistry 136: 107534. doi: 10.1016/j.soilbio.2019.107534
Mehr Informationen:  doi.org
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Einfluss von Landnutzung auf Abundanz, Funktion und räumliche Verteilung von N-umsetzenden Mikroorganismen in Grünlandböden
Keil D. (2015): Influence of land use on abundance, function and spatial distribution of N-cycling microorganisms in grassland soils. Dissertation, University of Hohenheim
Mehr Informationen:  opus.uni-hohenheim.de
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Einfluss von Landnutzungsintensität auf die räumliche Verteilung Stickstoff umsetzender Mikroorganismen in Grünlandböden
Keil D., Meyer A., Berner D., Poll A., Schützenmeister A., Piepho H.-P., Vlasenko A., Philippot L., Schloter M., Kandeler E., Marhan S. (2011): Influence of land-use intensity on spatial distribution of N-cycling microorganisms in grassland soils . FEMS Microbiology Ecology 77 (1), 95-106. doi: 10.1111/j.1574-6941.2011.01091.x
Mehr Informationen:  doi.org
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Einfluss von Temperaturerhöhung und Dürre auf Lachgasemissionen und die Häufigkeit von denitrifizierenden Bakterien in Grünlandböden mit unterschiedlicher Landnutzungsintensität
Keil D., Niklaus P. A., von Riedmatten L. R., Boeddinghaus R. S., Dormann K. F., Scherer-Lorenzen M., Kandeler E., Marhan S. (2015): Effects of warming and drought on potential N2O emissions and denitrifying bacteria abundance in grasslands with different land use. FEMS Microbiology Ecology 91(7), pii: fiv066. doi: 10.1093/femsec/fiv066
Mehr Informationen:  doi.org
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Long-term effects of disturbance and seed addition on soil microbial biomass in grassland with high and low land-use intensity
Langzeit Effect von Störung und Ansaat auf die mikrobielle Biomasse in Grünlandböden mit hoher und niedriger Landnutzungsintensität
Lang K. (2018): Long-term effects of disturbance and seed addition on soil microbial biomass in grassland with high and low land-use intensity. Bachelor thesis, University Hohenheim
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Eine neue Methode (midDRIFTS basierte Spektroskopie) erlaubt die schnelle und kostengünstige Vorhersage von mikrobieller Biomasse und Aktivität in Grünlandböden
Rasche F., Marhan S., Berner D., Keil D., Kandeler E., Cadisch G. (2013): midDRIFTS-based partial least square regression analysis allows predicting microbial biomass, enzyme activities and 16S rRNA gene abundance in soils of temperate grasslands. Soil Biology and Biochemistry 57, 504–512. doi: 10.1016/j.soilbio.2012.09.030
Mehr Informationen:  doi.org
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Regan K. M. (2016): Linking Microbial Abundance and Function to Understand Nitrogen Cycling in Grassland Soils. Dissertation, University Hohenheim
Mehr Informationen:  opus.uni-hohenheim.de
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Zeigen Pflanzen oder abiotische Bodeneigenschaften saisonal bedingt mehr Einfluss auf die Verteilung von Mikroorganismen in Grünlandböden?
Regan K. M., Nunan N., Boeddinghaus R. S., Baumgarten V., Berner D., Boch S., Oelmann Y., Overmann J., Prati D., Schloter M., Schmitt B., Sorkau E., Steffens M., Kandeler E., Marhan S. (2014): Seasonal controls on grassland microbial biogeography: Are they governed by plants, abiotic properties or both? Soil Biology and Biochemistry 71, 21–30. doi: 10.1016/j.soilbio.2013.12.024
Mehr Informationen:  doi.org
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Regan K., Stempfhuber B., Schloter M., Rasche F., Prati D., Philippot L., Boeddinghaus R. S., Kandeler E., Marhan S. (2017): Spatial and temporal dynamics of nitrogen fixing, nitrifying and denitrifying microbes in an unfertilized grassland soil. Soil Biology and Biochemistry 109, 214–226. doi: 10.1016/j.soilbio.2016.11.011
Mehr Informationen:  doi.org
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Richter-Heitmann T., Hofner B., Krah F.-S., Sikorski J., Wüst P. K., Bunk B., Huang S., Regan K., Berner D., Boeddinghaus R. S., Marhan S., Prati D., Kandeler E., Overmann J., Friedrich M. W. (2020): Stochastic dispersal rather than deterministic selection explains the spatio-temporal distribution of soil bacteria in a temperate grassland. Frontiers in Microbiology 11: 1391. doi: 10.3389/fmicb.2020.01391
Mehr Informationen:  doi.org
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Die potentielle Methan-Oxidation des Bodens in Abhängigkeit von der Landnutzungsintensität am Beispiel von Grünland und Wald
Rohrbach K. (2017): Die potentielle Methan-Oxidation des Bodens in Abhängigkeit von der Landnutzungsintensität am Beispiel von Grünland und Wald. Bachelor thesis, University Hohenheim
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Erholung von Ökosystemfunktionen nach experimenteller Störung in 73 Grünlandflächen mit unterschiedlicher Landnutzungsintensität, Artenvielfalt und Zusammensetzung der Pflanzengesellschaft
Schäfer D., Klaus V. H., Kleinebecker T., Boeddinghaus R. S., Hinderling J., Kandeler E., Marhan S., Nowak S., Sonnemann I., Wurst S., Fischer M., Hölzel N., Hamer U., Prati D. (2019): Recovery of ecosystem functions after experimental disturbance in 73 grasslands differing in land‐use intensity, plant species richness and community composition. Journal of Ecology 107 (6), 2635-2649. doi: 10.1111/1365-2745.13211
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Lineare gemischte Modelle und Geostatistik für geplante Experimente in den Bodenwissenschaften – zwei unversöhnliche Methoden oder zwei Seiten derselben Medaille
Slaets J., Boeddinghaus R. S., Piepho H.-P. (2021): Linear mixed models and geostatistics for designed experiments in soil science ‐ two entirely different methods or two sides of the same coin? European Journal of Soil Science 72 (1), 47-68. doi: 10.1111/ejss.12976
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Nach welchen Regeln besiedeln Bakterien den Boden?
Vieira S., Sikorski J., Gebala A., Boeddinghaus R. S., Marhan S., Rennert T., Kandeler E., Overmann J. (2020): Bacterial colonization of minerals in grassland soils is selective and highly dynamic. Environmental Microbiology 22 (3), 917-933. doi: 10.1111/1462-2920.14751
Mehr Informationen:  doi.org

Projekt in anderen Förderperioden

Wissenschaftliche Mitarbeiter:innen

Prof. Dr. Ellen Kandeler
Projektleiterin
Prof. Dr. Ellen Kandeler
Universität Hohenheim
Dr. Sven Marhan
Projektleiter
Dr. Sven Marhan
Universität Hohenheim
Doreen Berner
Mitarbeiterin
Doreen Berner
Dr. Runa Boeddinghaus
Mitarbeiterin
Dr. Runa Boeddinghaus
Kathleen Regan
Mitarbeiterin
Kathleen Regan
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