Forschung am Metagenom Boden

Hintergrund

Wir wollen verstehen, wie mikrobielle Vielfalt und Ökosystem-Funktionen zusammenhängen. Deshalb untersuchen wir die Gesamtheit der DNA im Boden, das Metagenom. Seit dem Ende der 80iger Jahre wissen wir bereits, dass die klassischen mikrobiologischen Verfahren das niemals leisten können: Sie kultivieren Mikroorganismen im Labor und spiegeln nur etwa 0,1 % der tatsächlichen Vielfalt wider. Stattdessen setzen wir zunehmend auf Analysen der DNA, die direkt aus Bodenproben gewonnen wird.

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. Konnten wir noch vor wenigen Jahren innerhalb eines gesamten Forschungsprojektes nur einige hundert Bakterien aus einer Bodenprobe ermitteln, können wir heute in einer einzelnen Analyse in wenigen Tagen bereits mehrere Millionen Gene aus Böden aufspüren. Um diese allerdings erkennen und untersuchen zu können, braucht es neue Methoden und Know-how, insbesondere aus dem Bereich der Bioinformatik. Indem wir am Thünen Institut für Biodiversität Ökologie, Mikrobiologie und Bioinformatik, wie wir sie vollzogen haben, ist der Schlüssel, diese neuen methodischen Potenziale auszuschöpfen. Schließlich: nur das, was wir kennen, können wir auch schützen – und der Schutz unserer Böden wird immer dringlicher:

  • Durch das weltweite Bevölkerungswachstum und den gleichzeitigen dramatischen Verlust von fruchtbaren Böden durch Erosion und Versalzung muss in Zukunft auf immer weniger Ackerflächen immer mehr Produktivität erzielt werden.
  • Wenn natürliche Flächen, wie z.B. Wälder, für den Ackerbau gerodet werden, hat das enorme Konsequenzen für die bodenmikrobiologische Vielfalt. In aktuellen Forschungsarbeiten ermitteln wir, welche Mikroorganismen bei solchen Veränderungen verloren gehen und welche neu hinzukommen.
  • Bei Monokulturen können sich schädliche Mikroorganismen eher durchsetzen als nützliche und so das Risiko von Pflanzenerkrankungen erhöhen.
  • Allzu intensive landwirtschaftliche Nutzung raubt Böden organische Substanz, das geht auf Kosten stabiler Bodenstruktur, verschlechtert das Speichern von Nährstoffen und die mikrobielle Aktivität. Organischer Dünger soll diesen Verlust ausgleichen, aber seine organische Substanz entweicht zu großen Teilen in Form von Kohlendioxyd.


Lässt sich das durch kluge Bodenbearbeitung verhindern? Wechselt man regelmäßig die Frucht, reichern sich über die Rhizosphäre immer wieder unterschiedliche Mikroorganismen an. Das bekommt spezialisierten Schädlingen schlecht, stärkt aber mikrobielle Vielfalt und Pflanzengesundheit. Wie verhält es sich mit den Mikroorganismen, die der Dünger in den Boden einträgt? Insbesondere Sporenbildner – etwa Clostridien – können über mehrere Jahre im Boden verbleiben – in wie weit sind sie aktiv am Bodenleben beteiligt? All das wollen wir erforschen.Um die Auswirkungen gentechnisch veränderter Pflanzen auf Böden zu ermitteln, untersuchen wir die Bakterienvielfalt in den Rhizosphären. Konnten wir noch bis vor wenigen Jahren kaum Unterschiede zwischen gentechnisch veränderten Pflanzen und deren konventionell gezüchteten Ausgangspflanzen ermitteln, weisen wir heute, mit unseren neuen, hochempfindlichen Verfahren, tatsächlich Unterschiede nach.

Allerdings sind diese Unterschiede sogar kleiner als die zwischen normalen, konventionell gezüchteten Sorten. D.h. jede Pflanzensorte, egal ob gentechnisch hergestellt oder konventionell gezüchtet, hat eine charakteristische Bakteriengemeinschaft in ihrem Wurzelbereich. Abweichungen sind also natürlich. Wir möchten jedoch für jede neue gentechnisch veränderte Pflanze genauer verstehen, welche Bakterien durch eine gentechnische Veränderung gefördert und welche ggf. auch gehemmt werden. Um diese Frage zu beantworten, benötigen wir künftig Freilandversuche, denn die Bedingungen des Anbaus im Labor oder Gewächshaus weichen ab, und die Bodenbakterien reagieren dort vermutlich anders.