Funktionelle Analyse von nicht-symbiontischen Stickstoff-Fixierern im Boden

Der terrestrische Stickstoffkreislauf ist von essentieller Bedeutung für die Biosphäre der Erde und ist verknüpft durch die Aktivität von Mikroorganismen. Es ist von grosser Wichtigkeit die Mikroorganismen zu verstehen, die das terrestrische Ökosystem durch Stickstofffixierung (Diazotrophie) mit biologisch verfügbaren Stickstoff (N) versorgen, da dieser oft ein limitierender Faktor für die Primärproduktion darstellt. Nicht-symbiontische, freilebende Mikroorganismen können beträchtlich zur N2 -Fixierung beitragen. Allerdings ist unser Wissen über diese Mikroorganismen stark limitiert, da sich nur ein Bruchteil von ihnen kultivieren lässt. Die Einführung von molekularbiologischen Methoden hat erste Einblicke in die genetische Diversität und die Verbreitung von Diazotrophen ermöglicht. Dennoch ist über die Vielfalt der diazotrophen Mikroorganismen, über die Gruppen, die aktiv an diesem wichtigen Prozess beteiligt sind, und die Faktoren die ihre Aktivität beeinflussen ist noch wenig bekannt. Durch jüngste technische Fortschritte ist es nun möglich in einem funktionellen Ansatz die aktiven Diazotrophen in terrestrischen Ökosystemen zu untersuchen. Dieses Projekt wird in einen einzigartigen und kultivierungs-unabhängigen Ansatz biogeochemische Untersuchungen, stabile Isotopen Experimente, neue Sequenzierungsmethoden und Einzel-Zell-Techniken verbinden, um N2 -Fixierung im Boden zu untersuchen. Als erstes werden wir eine kürzlich aufgestellte Hypothese untersuchen die besagt, dass die Diversität von Diazotrophen die N2 -Fixierungs-Aktivität positiv beeinflusst. Dazu wird die Diversität von potentiellen Diazotrophen mittels massiver paralleler Sequenzierung des funktionellen Gens für N 2 -Fixierung (Dinitrogenase- Reduktase, nifH) in verschiedenen Ökosystemen und Jahreszeiten untersucht, und diese Diversität mit Bodenbeschaffenheiten und gemessener N2 -Fixierungs-Aktivität korreliert. Als zweites werden wir den Einfluss von verschiedenen natürlichen Kohlenstoff (C)-Quellen (Wurzelexsudate und komplexe C-Verbindungen) auf die N2 -Fixierung im Boden untersuchen, da dies ein stark energieverbrauchender Prozess ist, und oft auf externe Energie-Quellen (C-Quellen) angewiesen ist. Unsere Hypothese besagt, dass abhängig von der Art der zugführten C-Quelle, unterschiedliche diazotrophe Gruppen reagieren und N2 aktiv fixieren werden. Die Gruppen, die auf diese unterschiedlichen C-Quellen mit N2 -Fixierung reagieren werden durch 15N-DNA SIP, Sequenzierung der expremierten nifH Gene und dem sogenannten FISH-NanoSIMS Ansatz identifiziert. Wir zielen ausserdem auf die Entwicklung eines 15N-Raman Mikrospektroskopie Ansatzes, der mittels Raman Mikrospektroskopie die Erkennung von 15N-angereicherten Mikroorganismen ermöglicht. Dieser Sequenzinformations-unabhängige Ansatz wird neue Wege der Erforschung von nicht-kultivierbaren Diazotrophen im Boden ermöglichen. Zusammenfassend hat diese Kombination von innovativen Techniken das Potential (i) unser Verständnis von Diazotrophie im Boden und die kontrollierenden Faktoren zu erweitern, (ii) die in situ Aktivitäten von verschiedenen mikrobiellen Gruppen und ihre Heterogenität zu vergleichen, und (iii) andere Wissenschaftler anzuregen, diesen funktions-getriebenen Ansatz auf andere Fragestellungen und Ökosysteme auszudehnen.

Der terrestrische Stickstoffkreislauf ist von essentieller Bedeutung für die Biosphäre der Erde und ist verknüpft durch die Aktivität von Mikroorganismen. Es ist von großer Wichtigkeit die Mikroorganismen zu verstehen, die das terrestrische Ökosystem durch Stickstofffixierung (Diazotrophie) mit biologisch verfügbaren Stickstoff (N) versorgen, da dieser oft ein limitierender Faktor für die Primärproduktion darstellt. Nicht -symbiontische, freilebende Mikroorganismen können beträchtlich zur N2 -Fixierung beitragen. Allerdings ist unser Wissen über diese Mikroorganismen stark limitiert, da sich nur ein Bruchteil von ihnen kultivieren lässt. Die Einführung von molekularbiologischen Methoden hat erste Einblicke in die genetische Diversität und die Verbreitung von Diazotrophen ermöglicht, und besonders im Boden wird eine hohe Diversität von Diazotrophen erwartet. Dennoch ist über die Vielfalt der diazotrophen Mikroorganismen, über die Gruppen, die aktiv an diesem wichtigen Prozess beteiligt sind, und die Faktoren die ihre Aktivität beeinflussen ist noch wenig bekannt. In diesem Projekt haben wir einen funktionellen Ansatz verwendet, der biogeochemische Assays, stabile Isotopen Experimente, neue Sequenzierungsmethoden und Einzel - Zell -Techniken kombiniert, um Diazotrophie in Böden zu untersuchen. Das vorliegende Projekt hat (i) zu einem besseren Verständnis der Identität und Verteilung von Diazotrophen in terrestrischen Lebensräumen beigetragen, (ii) die treibenden Faktoren für die beobachtete Zusammensetzung von Diazotrophen Gemeinschaften aufgedeckt, (iii) die aktiven Diazotrophen in den untersuchten Lebensräumen identifiziert und (iv) Methoden zur Untersuchung von Diazotrophen entwickelt oder optimiert, die von einer Pipeline zur Sequenzanalyse bis hin zu Einzelzell -Techniken reichen. Zusammenfassend hat dieses Projekt zu vertieften Kenntnissen über die Verteilung und Aktivität von Diazotrophen in verschiedenen terrestrischen Systemen geführt und neue Methoden zur Verfügung gestellt, die von anderen WissenschafterInnen eingesetzt werden können, um diese wichtige Gruppe von Mikroorganismen weiter zu untersuchen.