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Ein Mitarbeiter sammelt Ameisen auf einer Untersuchungsfläche.
Ein Mitarbeiter sammelt Ameisen auf einer Untersuchungsfläche.
Institut für

BD Biodiversität

Projekt

Mikrobiomanalysen - Methodenentwicklung und Bioinformatik


Federführendes Institut BD Institut für Biodiversität

Dreidimensionale Darstellung der Bakterienvielfalt in der Rhizosphäre von Mais – basierend auf der bioinformatischen Analysen ihrer verwandtschaftlichen Beziehungen von 16S rRNA Genen
© Thünen-Institut/BD
Dreidimensionale Darstellung der Bakterienvielfalt in der Rhizosphäre von Mais – basierend auf der bioinformatischen Analysen ihrer verwandtschaftlichen Beziehungen von 16S rRNA Genen

Entwicklung molekularer Methoden zur Charakterisierung von Mikrobieller Gemeinschaften aus Böden und anderen natürlichen und technischen Habitaten

Mit Hilfe eines neuen Methodenrepertoirs soll die Vielfalt und Funktion mikrobieller Gemeinschaften in Böden und anderen Habitaten untersucht werden um darauf aufbauend Strategien zu entwickeln, deren Leistungen für agrar-relevante Prozesse zu schützen und zu nutzen.

Hintergrund und Zielsetzung

Mikrobielle Aktivitäten liefern die Basis für eine nachhaltige Nutzbarkeit landwirtschaftlicher Böden, die Wachstumsförderung von Kulturpflanzen und deren Schutz vor pathogenen, den Abbau von Reststoffen, auch zur Herstellung hochwertiger Dünger, und zur Gewinnung von Bioenergie. 

Fast alle wichtigen mikrobiologischen Leistungen werden durch komplex zusammengesetzte Gemeinschaften kooperativ erbracht. Die Einzelorganismen, deren veränderliche Zusammensetzung zu Gemeinschaften und deren Wechselwirkungen und Veränderungen durch Umweltfaktoren sind bisher kaum verstanden.

Neue molekulare Methoden, die auf der Analysen von direkt extrahierten Nukleinsäuren basieren, bieten Ansatzpunkte, diese Gemeinschaften zu verstehen und letztendlich so zu managen, dass sie für eine ökologisch freundliche Landwirtschaft nutzbar werden.

Vorgehensweise

Die Entwicklung bezieht sich auf Methoden, die unabhängig von der Kultivierung von Mikroorganismen auf Nährböden im Labor basieren:

  • Verfahren zur Extraktion und Reinigung von DNA und RNA aus Umweltproben (Boden, Grundwasser, Darminhalt, ...)
  • PCR Verfahren zur Quantifizierung mikrobieller Gruppen und zum genetischen Fingerprinting von mikrobiellen Gemeinschaften
  • Sequenzierung des Mikrobioms aus Böden und anderen relevanten Habitaten (z.B. Komposten, Biogasanalagen, ...)
  • Nutzbarkeit von Bioinformatik zur Bearbeitung großer Datensätze
  • Spezifische Nachweisverfahren von fördernden und pathogenen Mikroorganismen, letztere auch mit dem Ziel, Tierversuche stark einzuschränken.
  • Kopplung von struktureller und funktioneller Diversität mit Isotopen-Analysen von markierten Nukleinsäuren, z.B. mit der stabilen Isotopen Technik (stable isotope probing, SIP) 

Unsere Forschungsfragen

Beispiele

  • Welche Mikroorganismen leben in einer Gemeinschaft?
  • Welche Aktivitäten vollbringen sie dort?
  • Wer kooperiert mit wem? Lassen sich synergistische und antanostische Wechselwirkungen aufspüren?
  • Wie variabel sind die Gemeinschaften, welche Mitglieder sind essentiell, auf welche kann verzichtet werden? Wie reagieren sie auf eine veränderte Umwelt?

Vorläufige Ergebnisse

Methoden wurden entwickelt, mit denen es möglich ist, DNA und RNA direkt aus Böden zu extrahieren um ohne Kultivierung Nachweise über Identität und Aktivität von Bodenmikroorganismen führen zu können. Mit Hilfe einer neuen Methoden zum genetischen ?Fingerprinting? können auch auf größeren Skalen Umwelteinflüsse und andere Einflussfaktoren auf mikrobielle Gemeinschaften in Agrarökosystemen untersucht werden.

Neue Methoden zur Sequenzierung des Metagenoms (Mikrobioms) wurden etabliert, Bioinformatik nutzbar gemacht.

Zeitraum

Daueraufgabe 1.2001 - 2.2024

Weitere Projektdaten

Projektstatus: läuft

Publikationen

  1. 0

    Zhang G, Bai J, Tebbe CC, Huang L, Jia J, Kong F, Xi M, He Q (2023) Plant invasion threatens coastal blue carbon sequestration. Bull Ecol Soc Am 104(1):e02030, DOI:10.1002/bes2.2030

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn065822.pdf

  2. 1

    Zhang G, Bai J, Tebbe CC, Huang L, Jia J, Wang W, Wang X, Zhao Q, Wen L, Kong F, Xi M, He Q (2022) Habitat-specific responses of soil organic matter decomposition to Spartina alterniflora invasion along China’s coast. Ecol Appl:e2741, DOI:10.1002/eap.2741

  3. 2

    Finn D, Samad MS, Tebbe CC (2022) One-step PCR amplicon sequencing libraries perform better than two-step when assessing soil microbial diversity and community profiles. FEMS Microbiol Lett 369(1):1-9, DOI:10.1093/femsle/fnac079

  4. 3

    Zhang G, Bai J, Tebbe CC, Huang L, Jia J, Wang W, Wang X, Yu L, Zhao Q (2022) Plant invasion reconstructs soil microbial assembly and functionality in coastal salt marshes. Mol Ecol 31(17):4478-4494, DOI:10.1111/mec.16600

  5. 4

    Finn D, App M, Hertzog LR, Tebbe CC (2022) Reconciling concepts of black queen and tragedy of the commons in simulated bulk soil and rhizosphere prokaryote communities. Frontiers Microbiol 13:969784, DOI:10.3389/fmicb.2022.969784

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn065846.pdf

  6. 5

    Lerner H, Öztürk B, Dohrmann AB, Thomas J, Marchal K, De Mot R, Dehaen W, Tebbe CC, Springael D (2021) DNA-SIP and repeated isolation corroborate Variovorax as a key organism in maintaining the genetic memory for linuron biodegradation in an agricultural soil. FEMS Microbiol Ecol 97(5):fiab051, DOI:10.1093/femsec/fiab051

  7. 6

    Finn D, Bergk-Pinto B, Hazard C, Nicol G, Tebbe CC, Vogel TM (2021) Functional trait relationships demonstrate life strategies in terrestrial prokaryotes. FEMS Microbiol Ecol 97(5):fiab068, DOI:10.1093/femsec/fiab068

  8. 7

    Szoboszlay M, Tebbe CC (2021) Hidden heterogeneity and co-occurrence networks of soil prokaryotic communities revealed at the scale of individual soil aggregates. Microbiol Open 10(1):e1144, DOI:10.1002/mbo3.1144

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn064402.pdf

  9. 8

    Schroeder J, Kammann L, Helfrich M, Tebbe CC, Poeplau C (2021) Impact of common sample pre-treatments on key soil microbial properties. Soil Biol Biochem 160:108321, DOI:10.1016/j.soilbio.2021.108321

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn063708.pdf

  10. 9

    Hemkemeyer M, Tebbe CC (2021) Importance of soil primary particles for shaping the diversity and activity of soil microbial communities - Results of a meta-analysis. Verhandl Gesellsch Ökol 50: 128

  11. 10

    Zhang G, Bai J, Tebbe CC, Zhao Q, Jia J, Wang W, Wang X, Yu L (2021) Salinity controls soil microbial community structure and function in coastal estuarine wetlands. Environ Microbiol 23(2):1020-1037, DOI:10.1111/1462-2920.15281

  12. 11

    Geisen S, Hartmann M, Tebbe CC (2021) The European Journal of Soil Biology: A catalyst for soil biodiversity research. Eur J Soil Biol 102:103262, DOI:10.1016/j.ejsobi.2020.103262

  13. 12

    Gao W, Xu J, Zhao J, Zhang H, Ni Y, Zhao B, Tebbe CC, Zhang J, Jia Z (2020) Prokaryotic community assembly after 40 years of soda solonetz restoration by natural grassland and reclaimed farmland. Eur J Soil Biol 100:103213, DOI:10.1016/j.ejsobi.2020.103213

  14. 13

    Hernandez M, Vera-Gargallo B, Calabi-Floody M, King GM, Conrad R, Tebbe CC (2020) Reconstructing genomes of carbon monoxide oxidisers in volcanic deposits including members of the class ktedonobacteria. Microorganisms 8(12):1880, DOI:10.3390/microorganisms8121880

    https://literatur.thuenen.de/digbib_extern/dn063011.pdf

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