Was uns die Gene aus Böden verraten

Hintergrund

Computeranimierte Darstellung der Verwandtschaftsbeziehungen von Bakterien an Maiswurzeln: ein genetischer "Stammbaum" (© Thünen-Institut/BD)

Den Code zu entschlüsseln, mit dem sich Leben selbst organisiert – was für eine Aussicht! Und ausgerechnet in Dunkelheit und Schmutz des Bodens erblicken wir ein Universum seiner Vielfalt. Aus tierischen und pflanzlichen Resten, vor allem aber aus lebenden Mikroorganismen, lassen sich Nukleinsäuren in Form von DNA und RNA gewinnen. Kennt man die DNA, die Erbsubstanz der Böden, und ihre funktionellen Abschnitte, die Gene, die zusammen das sog. Metagenom bilden, dann kennt man damit auch die Vielfalt der Mikroorganismen und ihre potenziellen Leistungen. Dank neuer Sequenzierungstechniken haben sich Geschwindigkeit und Effizienz der Analysen seit dem Jahr 2000 um das 10- bis 100.000-fache erhöht. Das ist eine Revolution für uns. Wir können heute innerhalb weniger Tage mit einer einzigen Analyse 15 Milliarden DNA-Bausteine (Basen) sequenzieren. das entspricht der gesamten genetischen Information von über 3.000 Bakterien. Schaut man sich nur ein ausgewähltes Gen an, lassen sich damit sogar etwa 10 Millionen einzelne Mikroorganismen erfassen.

Mit dem Sequenzieren des Codes allerdings hat man zwar Buchstaben, Silben,  Wörter und einzelne Ausdrücke – versteht aber längst noch nicht die Sprache.  In diesem Sinn setzen wir im Thünen Institut für Biodiversität  modernste bioinformatische Analysen ein: Wir wollen sowohl die genetischen Informationen entschlüsseln und ihre Vielfalt darstellen als auch aufklären, wie sie sich verändern:

Die Analyse des Transkriptoms, d.h. die Summe der RNA, die vom Metagenom abgelesen wird (mRNA), erfasst den aktiven Teil der mikrobiellen Gemeinschaften. Sie ist technisch anspruchsvoller, denn sie verlangt schnelles und gleichzeitig sehr präzises Arbeiten, da die mRNA oft nur wenige Minuten stabil bleibt. Durch Transkriptomik kann man zum Beispiel die Schlüsselorganismen erkennen, die für den Kreislauf des Stickstoffs in Böden verantwortlich sind. Damit  lässt sich erfassen, wie der Mikrokosmos Boden auf landwirtschaftliche Eingriffe wie Bearbeitung, wechselnde Landnutzung, auf das Düngen oder den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln reagiert. In Kombination mit der Nutzung stabiler Isotopen, insbesondere des schweren Kohlenstoffs 13C, können wir Metagenom- und Transkriptom-Analysen noch erweitern: Wir können hoch empfindlich bestimmte Funktionsträger – zum Beispiel für den Abbau von Schadstoffen – aus dem Hintergrund der inaktiven Bodenmikroorganismen aufspüren.  Diese Technik wird als „stable isotope probing“, SIP, bezeichnet. Das methodische Repertoire zur Sequenzierung und Analyse von DNA und RNA ist bis heute noch nicht ausgeschöpft und Neuentwicklungen werden es erweitern. Strategien zur Nutzung und zum Schutz mikrobieller Bodenfunktionen, führen letztlich zum nachhaltigen Umgang mit den Böden.

Publikationen

Anzahl der Datensätze: 2

  1. Ding G-C, Piceno YM, Heuer H, Weinert N, Dohrmann AB, Carrillo A, Andersen GL, Castellanos T, Tebbe C, Smalla K (2013) Changes of soil bacterial diversity as a consequence of agricultural land use in a semi-arid ecosystem. PLoS One 8(3):e59497, DOI:10.1371/journal.pone.0059497
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  2. Dohrmann AB, Küting M, Jünemann S, Jaenicke S, Schlüter A, Tebbe C (2013) Importance of rare taxa for bacterial diversity in the rhizosphere of Bt- and conventional maize varieties. ISME J 7(1):37-49, doi:10.1038/ismej.2012.77