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Eine Verringerung der Landnutzungsintensität kann Interaktionen zwischen Pflanzen und Symbionten begünstigen und so die Strategien zur Nährstoffaufnahme von Pflanzen und Mikroben auf verschiedenen Skalen verändern. Auf der Skala der Rhizosphäre, zum Beispiel einem schmalen Bereich des Bodens, der direkt von Wurzelsekreten und assoziierten Bodenmikroorganismen beeinflusst wird, ist die Wurzel-Boden-Grenzfläche durch Gradienten von Nährstoffen, Protonen, Kohlenstoffressourcen und lebenden Mikroorganismen gekennzeichnet. Die Hyphosphäre ist definiert als ein Bereich, in dem symbiotische und nichtsymbiotische Pilze in der Bodenumgebung vorhanden sind; sie ist gekennzeichnet durch intensive Pilz-Bakterien-Böden. Diese unterschiedlichen Zonen lassen sich experimentell oft nur schwer voneinander trennen.


Ziel unserer Studie ist es, zu erforschen, wie Pilz-Bakterien-Interaktionen in der Hyphosphäre zur Pflanzenernährung beitragen und wie sich die Kohlenstoffversorgung durch die Pflanzen über die symbiotischen Interaktionen mit Pilzen auf Bakterien auswirkt.


In den nächsten drei Jahren werden wir die folgenden Hypothesen testen:

  1. Sowohl symbiotische (Mykorrhizapilze) als auch freilebende saprotrophe Pilze dominieren die anfängliche mikrobielle Kohlenstoffaufnahme der Pflanze durch schnelle Verarbeitung und Kanalisierung von Rhizodeposite in die Hyphosphäre. Folglich kann die Hyphosphäre als „Kohlenstoffbrücke“ zwischen Pflanzen und Bakterien fungieren; Bakterien profitieren als sekundäre Konsumenten.
  2. Pflanzen sind auf den Nährstofftransport über die Hyphosphäre stärker in Grünlandböden mit niedriger als mit hoher Landnutzungsintensität (LUI) angewiesen.
  3. Eine experimentelle Extensivierung der Grünlandnutzung wird die Abundanz und Funktion der Bodenmikroorganismen verändern, entweder durch Verringerung des Nährstoffangebots (verringerte Düngung, direkte Reaktion der Bodenmikroorganismen) oder durch Verringerung der Mähintensität (Veränderung des Pflanzeninputs in den Boden, indirekte Reaktion der Bodenmikroorganismen).

Um unsere Hypothesen zu überprüfen, brauchen wir eine vollständige Trennung zwischen Rhizosphäre und Hyphosphäre. Wir werden hierzu neu entwickelte HYPHO-Boxen verwenden, die die Hyphosphäre experimentell von der Rhizosphäre und dem umgebenden Boden trennen (Abb. 1).

Abb. 1. HYPHObox-Kompartimente. a. Schema HYPHObox, b. HYPHObox-Kompartimente mit Gazen mit unterschiedlichen Maschenweiten und c. HYPHObox von der Seite des Rhizosphären-Kompartiments aus gesehen

Experiment 1 und 2: Kohlenstofffluss von den Pflanzen in die Hyphosphäre und Nährstofffluss von der Hyphosphäre zu den Pflanzen

Ziel dieser Experimente ist es zu verstehen, (i) welche Pilze in Grünlandökosystemen am meisten vom pflanzlichen Kohlenstoff profitieren und welche Pilze für den „Langstrecken“-Transport (>15 mm) von Kohlenstoff verantwortlich sind und damit Ressourcen für Bakterien als sekundäre Konsumenten bereitstellen (Abb. 2a); und (ii) welche Pilze für den Transport von 13C und 15N von der Detritusphäre durch die Hyphosphäre in die Rhizosphäre verantwortlich sind (Abb. 2b). Wir werden einen 13CO2-Pulsmarkierungsansatz verwenden, um den Kohlenstofffluss von pflanzenfixiertem C in die Pilze und ihre assoziierten Bakterien zu quantifizieren, und eine 13C- und 15N-Markierung im Detritusphärenkompartiment wird es uns ermöglichen, den langfristigen 13C- und 15N-Einbau in die mikrobielle Biomasse sowie deren Übertragung auf die pflanzliche Biomasse zu quantifizieren.

Abb. 2. Experimenteller Aufbau des ersten und zweiten Experiments: a. Die 13CO2-Markierung von Pflanzen und die 15N-Markierung im Detritusphären-Kompartiment ermöglichen es uns, sowohl den kurzfristigen 13C-Einbau in die mikrobielle Biomasse, als auch den 15N-Einbau in die pflanzliche Biomasse zu bestimmen. b. Die 13C- und 15N-Markierung im Detritusphären-Kompartiment ermöglicht es uns, den langfristigen 13C- und 15N-Einbau in die mikrobielle Biomasse sowie deren Übertragung auf die pflanzliche Biomasse zu bestimmen

Experiment 3: Extensivierung von Grünlandstandorten – Direkte versus indirekte Auswirkungen auf Bodenmikroorganismen (Multi-Grasland-Landnutzungsversuche)

Die Extensivierung der Landnutzung kann Veränderungen in mikrobiellen Gemeinschaften und in den von ihnen regulierten Bodenfunktionen bewirken. Die neu eingerichteten Multi-Grasland-Landnutzungsexperimente (Abb. 3) werden es ermöglichen, die direkten und indirekten Mechanismen zu identifizieren, die zu Veränderungen der mikrobiellen Abundanz und Funktion beitragen können.

Abb. 3. Neu etablierter Versuch zur Mäh- und Beweidungsreduktion auf der Schwäbischen Alb. Bild aufgenommen im August 2020 von A. Abrahão

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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
Mehr Informationen:  doi.org
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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
Dr. Anna Abrahao
Mitarbeiterin
Dr. Anna Abrahao
Universität Hohenheim
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