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Mikrobiologie der Rhizosphäre und des Bodens


Böden sind Lebensraum für eine Vielzahl an Mikroorganismen, so dass Böden im Vergleich zu anderen Ökosystemen sehr komplexe mikrobielle Gemeinschaften beherbergen (Abbildung 1). Die Identität der verschiedenen bodenlebenden Mikroorganismen wird seit Jahren intensiv analysiert, so dass zunehmend Wissen über die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften verfügbar ist. Der Einsatz kultivierungsunabhängiger molekularer Methoden trägt wesentlich zu diesem Fakt bei. Es stellt sich die Frage, wie eine derart hohe Diversität an Mikroorganismen in Böden entsteht und aufrechterhalten werden kann. Aktuelle Forschungsansätze verfolgen auch die Beantwortung der Frage, welchen Einfluss verschiedene Umweltfaktoren auf die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften in Böden haben. Ebenso ist die Bedeutung vieler Arten von Mikroorganismen für das Funktionieren des Ökosystems Boden unklar, insbesondere für die Mikroorganismen, die bisher nicht im Labor kultiviert werden können.

rarefaction_de Abbildung 1: Rarefaction Analysen belegen die große Vielfalt bodenlebender Bakterien im Vergleich zu anderen Ökosystemen. Die Kurven wurden errechnet aus 16S rRNA Gen-basierten Klonbanken. OTUs entsprechen taxonomischen Gruppen.


 

Böden besitzen eine Vielzahl unterschiedlicher Habitate für Mikroorganismen. Ein besonderer Lebensraum ist die Rhizosphäre, der Bereich des Bodens, der von Pflanzenwurzeln beeinflusst wird. Die Rhizosphäre besitzt im Vergleich zum nicht-durchwurzelten Boden eine mikrobielle Gemeinschaft andersartiger Zusammensetzung und geringer Komplexität.

Bodenlebende Mikroorganismen spielen eine zentrale Rolle bei der Mineralisierung von organischem Material und tragen so dazu bei, Nährstoffe für Pflanzen verfügbar zu machen. Darüber hinaus sind sie an der Aggregierung von Bodenbestandteilen beteiligt und somit von Bedeutung bei der Ausbildung und Aufrechterhaltung der Bodenstruktur. Einige Mikroorganismen können das Wachstum von Pflanzen in direkter Weise positiv beeinflussen, zum Beispiel indem sie mit den Pflanzen eine Symbiose eingehen und diese beim Akquirieren von  Nährstoffen unterstützen oder sie vor dem Befall durch pathogene Organismen schützen (Beispiel in Abbildung 2). Gleichzeitig ist der Boden aber auch Lebensraum für pflanzenpathogene Mikroorganismen. Mögliche positive und negative Wechselwirkungen vieler bodenlebender Mikroorganismen untereinander und mit anderen Organismen sind noch unbekannt, insbesondere dann, wenn die Mikroorganismen nicht im Labor kultiviert werden können, was für die große Mehrheit der bodenlebenden Mikroorganismen gilt. Insofern besteht eine große Herausforderung darin, neben der Identität die Funktion der verschiedenen Mikroorganismen im Boden und der Rhizosphäre zu verstehen.

rhizosphereAbbildung 2: Ein typisches Beispiel für eine symbiotische Assoziation von Pflanze und Mikroorganismus. Das Wurzelsystem einer Sojapflanze bildet Knöllchen, in denen Bakterien der Gattung Bradyrhizobium japonicum leben. Diese sind in der Lage Stickstoff zu fixieren, den sie der Pflanze zur Verfügung stellen. Im Gegenzug erhalten sie von der Pflanze organische Kohlenstoffverbindungen, welche sie als Energiequelle nutzen. 

 

Ziel unserer Forschung ist es, die mikrobiellen Umsetzungsprozesse von organischen Kohlenstoffverbindungen im Boden und speziell in der Rhizosphäre besser zu verstehen. Wir möchten die Mikroorganismen identifizieren, die an diesen Prozessen beteiligt sind, aber auch verstehen, welche Umweltfaktoren die Abundanz und Aktivität dieser Mikroorganismen beeinflusst. Zu diesem Zweck setzen wir vorwiegend kultivierungs-unabhängige Methoden ein. Darüber hinaus werden aber auch repräsentative Modellstämme im Labor in Experimenten unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt, um die Physiologie dieser Mikroorganismen in vitro und in situ besser zu verstehen, Rückschlüsse auf deren Bedeutung im Boden zu ziehen und zu erkennen, wie diese Mikroorganismen auf veränderte Umweltbedingungen reagieren.

 

Ausgewählte Publikationen:


Ueda, Y., Frindte, K., Knief, C., Ashrafuzzaman, M., Frei, M. (2016) Effects of elevated tropospheric ozone concentration on the bacterial community in the phyllosphere and rhizosphere of rice. PLoS One 11: e0163178

Knief, C., Delmotte, N., Chaffron, S., Stark, M., Innerebner, G., Wassmann, R., von Mering, C. Vorholt, J. A. (2012) Metaproteomic analysis of microbial communities in the phyllosphere and rhizosphere of rice. ISME J. 6: 1378-1390.

Knief, C., Delmotte, N., Vorholt, J. A. (2011) Bacterial adaptation to life in association with plants – A proteomic perspective from culture to in situ conditions. Proteomics 11: 3086-3105.

Delmotte, N., Ahrens, C. H., Knief, C., Qeli, E., Koch, M., Fischer, H-M., Vorholt, J. A., Hennecke, H., Pessi, G. (2010) An integrated proteomics and transcriptomics reference dataset provides new insights into the Bradyrhizobium japonicum bacteroid metabolism in soybean root nodules. Proteomics 10: 1391-1400.

Knief, C., Kolb, S., Bodelier, P. L. E., Lipski, A., and Dunfield P. F. (2006) The active methanotrophic community in hydromorphic soils changes in response to changing methane concentration. Environ. Microbiol. 8: 321 – 333.

Knief, C., and Dunfield, P. F. (2005) Response and adaptation of methanotrophic bacteria to low methane concentrations. Environ. Microbiol. 7: 1307 – 1317.

Knief, C., Vanitchung, S., Harvey, N. W., Conrad, R., Dunfield, P. F., and Chidthaisong, A. (2005) Diversity of methanotrophic bacteria in tropical upland soils under different land uses. Appl. Environ. Microbiol. 71: 3826 – 3831.

Knief, C., Lipski, A., and Dunfield P. F. (2003) Diversity and activity of methanotrophic bacteria in different upland soils. Appl. Environ. Microbiol. 69: 6703 – 6714.

 

Mikrobiologie der Phyllosphäre


Auch die oberirdischen Teile der Pflanzen werden von Mikroorganismen besiedelt. Blätter als Lebensraum für Mikroorganismen wird in Analogie zum Term Rhizosphäre als Phyllosphäre bezeichnet. Global gesehen bieten Blätter von Pflanzen eine Oberfläche von 6.4 x 108 km2, was in etwa dem Vierfachen der Erdoberfläche entspricht. Blattoberflächen und Blattinneres sind von verschiedenen Bakterien und Pilzen besiedelt (Abbildung 3). Insbesondere kultivierungs-unabhängige Methoden haben in den letzten Jahren detailliertere Informationen bezüglich der Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften in der Phyllosphäre geliefert. Proteobakterien scheinen häufig dominierende Kolonisierer dieses Lebensraumes zu sein.

Unsere Forschung zielt darauf ab zu verstehen welche Faktoren die mikrobielle Besiedelung von Blättern beeinflussen und Adaptionsmechanismen zu erkennen, die nötig sind, um Blätter erfolgreich zu besiedeln. Zu diesem Zweck analysieren wir die Blatt-assoziierten mikrobiellen Gemeinschaften auf Pflanzen. Darüber hinaus tragen Laborexperimente unter kontrollierten Bedingungen mit ausgewählten Modellorganismen dazu bei, diese Aspekte besser zu verstehen.

 

 BlattabdruckAbbildung 3: Besiedelung der Phyllosphäre durch Mikroorganismen. Der Blattabdruck eines Sojablattes auf einem Komplexmedium zeigt, dass Blätter von verschiedenen Mikroorganismen besiedelt sind, häufig mit farbiger Pigmentierung (Bilder oben). Der Abdruck eines Kleeblatts auf einem Minimalmedium mit Methanol als alleiniger Kohlenstoffquelle zeigt die Besiedelung durch pink pigmentierte Bakterien der Gattung Methylobacterium (Bilder unten).

 

Ausgewählte Publikationen:


Ueda, Y., Frindte, K., Knief, C., Ashrafuzzaman, M., Frei, M. (2016) Effects of elevated tropospheric ozone concentration on the bacterial community in the phyllosphere and rhizosphere of rice. PLoS One 11: e0163178

Knief, C., Delmotte, N., Chaffron, S., Stark, M., Innerebner, G., Wassmann, R., von Mering, C. Vorholt, J. A. (2012) Metaproteomic analysis of microial communities in the phyllosphere and rhizosphere of rice. ISME J. 6: 1378-1390.

Knief, C., Dengler, V., Bodelier, P. L. E., Vorholt, J. A. (2012) Characterization of Methylobacterium strains isolated from the phyllosphere and description of Methylobacterium longum sp. nov. Antonie van Leeuwenhoek 101: 169-183.

Knief, C., Delmotte, N., Vorholt, J. A. (2011) Bacterial adaptation to life in association with plants – A proteomic perspective from culture to in situ conditions. Proteomics 11: 3086-3105.

Innerebner, G., Knief, C., Vorholt, J. A. (2011) Protection of Arabidopsis thaliana against leaf-pathogenic Pseudomonas syringae by Sphingomonas strains in a controlled model system. Appl. Environ. Microbiol. 77: 3202-3210.

Knief, C., Frances, L., Vorholt, J. A. (2010) Competitiveness of diverse Methylobacterium strains in the phyllosphere of Arabidopsis thaliana and identification of representative models, including M. extorquens PA1. Microb. Ecol. 60: 440-452.

Knief, C., Ramette, A., Frances, L., Alonso-Blanco, C., Vorholt, J. A. (2010) Site and plant species are important determinants of the Methylobacterium community composition in the phyllosphere. ISME J. 4: 719-728.

Delmotte, N., Knief, C., Chaffron, S., Innerebner, G., Roschitzki, B., Schlapbach, R., von Mering, C. Vorholt, J. A. (2009) Community proteogenomics reveals insights into the physiology of phyllosphere bacteria. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 106: 16428-16433.

Knief, C., Frances, L. Cantet, F., Vorholt, J. A. (2008) Cultivation-independent characterization of Methylobacterium populations in the plant phyllosphere by automated ribosomal intergenic spacer analysis (ARISA). Appl. Environ. Microbiol. 74: 2218 – 2228.

Sy, A., Timmers, A. C. J., Knief, C., and Vorholt, J. A. (2005) Methylotrophic metabolism provides advantage for Methylobacterium extorquens during colonization of Medicago truncatula under competitive conditions. Appl. Environ. Microbiol. 71: 7245 – 7252.

 

  

Ökologie und Physiologie methylotropher Bakterien


Ausgewählte Fragestellungen im Bereich der Boden-, Rhizosphären- und Phyllosphärenmikrobiologie können gezielt adressiert werden durch Studien an Modellorganismen. Eine funktionelle Gruppe, die in all diesen Lebensräumen vorkommt, sind methylotrophe Bakterien. Diese sind charakterisiert durch ihre Fähigkeit von organischen Kohlenstoffen leben zu können, welche keine C-C Bindungen enthalten. Dazu zählen beispielsweise Methanol oder Methan. Methylotrophe Mikroorganismen sind weit verbreitet in der Natur, sie kommen unter anderen in Böden, aquatischen Ökosystemen, der Luft oder auch in Sedimenten vor. Bemerkenswert ist ihre Assoziation mit Pflanzen. Insbesondere Vertreter der Gattung Methylobacterium werden in der Phyllosphäre aller Landpflanzen gefunden. Die Charakteristika der Vertreter dieser Gattung sind der methylotrophe Lebensstil sowie die pink farbige Pigmentierung (Abbildung 4). Es erscheint naheliegend, dass die erfolgreiche Kolonisierung dieser Bakterien mit der Fähigkeit zusammenhängt, Methanol zu verwerten, welches als Abfallprodukt von Pflanzen in geringen Mengen in die Atmosphäre abgegeben wird. Aufgrund der weiten Verbreitung der Methylobakterien auf allen Pflanzenarten stellt dieser Organismus ein geeignetes Modell dar, um Kolonisierungsstrategien und Anpassungsmechanismen für das Leben in der Phyllosphäre zu studieren.

Methylobacterium

Abbildung 4: Abdruck eines Sojablattes auf Mineralmedium mit Methanol als alleiniger Kohlenstoffquelle führt zur Entwicklung pink pigmentierter Bakterienkolonien der Gattung Methylobacterium (linkes Bild). Verschiedenste Arten dieser Gattung können erfolgreich von Pflanzen isoliert werden und werden von uns charakterisiert und für weiterführende Studien eingesetzt.

 

 

Eine spezielle Gruppe innerhalb der methylotrophen Bakterien sind methanotrophe Bakterien, die sich dadurch auszeichnen, Methan als Kohlenstoff- und Energiequelle zu verwerten. Methanotrophe Bakterien repräsentieren die einzige biologische Senke für das klimarelevante Gas Methan und sind von wesentlicher Bedeutung im globalen Methanhaushalt. Sie werden häufig an oxisch/anoxischen Grenzschichten gefunden, beispielsweise in der Reisrhizosphäre, wenn dieser unter gefluteten Bedingungen angebaut wird. Dort setzen die methanotrophen Bakterien einen bedeutenden Teil des im Boden entstehenden Methans direkt wieder um, bevor es die Atmosphäre erreicht. Neben den gut bekannten Gattungen methanotropher Bakterien existieren zahlreiche bisher nicht kultivierte Gruppen, denen in verschiedenen Ökosystemen eine zentrale Bedeutung zukommt (Abbildung 5). Es ist unser Ziel, mehr über die Identität, Physiologie und Verbreitung der kultivierten und der bisher nicht kultivierten methanotrophen Bakterien im Boden und der Rhizosphäre zu erhalten.

 

Methanotrophe Stammbaum

Abbildung 5: Diversität aerober methanotropher Bakterien, dargestellt anhand eines phylogenetischen Stammbaums basierend auf der DNA-Sequenz des funktionellen Genmarkers pmoA. Das pmoA Gen codiert die aktive Unterheit der partikulären Methanmonooxygenase. Ausgewählte Sequenzen evolutionär verwandter Monooxygenasen (amoA, hmoA) sind ebenfalls mit eingerechnet. Die in Rot dargestellten Zweige repräsentieren unkultivierte Gruppen (potentieller) methanotropher Bakterien. Die Nomenklatur dieser Gruppen erfolgte in Einklang mit einem kürzlich veröffentlichen Reviewartikel (Knief 2015).

 

 

 

Ausgewählte Publikationen:


Knief, C. (2015) Diversity and habitat preferences of cultivated and uncultivated aerobic methanotrophic bacteria evaluated based on pmoA as molecular marker. Front. Microbiol. 6: 1346

Osawa, A., Kaseya, Y., Koue, N., Schrader, J., Knief, C., Vorholt, J. A. Sandmann, G., Shindo, K. (2015) 4-[2-O-11Z-Octadecenoyl-β-glucopyranosyl]-4,4′-diapolycopene-4,4′-dioic acid and 4-[2-O-9Z-hexadecenoyl-β-glucopyranosyl]-4,4′-diapolycopene-4,4′-dioic acid: New C30-carotenoids produced by Methylobacterium. Tetrahedon Letters 56: 2791-2794.

Hamilton, R., Kits, K. D., Ramonovskaya, V. A., Rozova, O. N., Yurimoto, H., Iguchi, H., Khmelenina, V. N., Sakai, Y., Dunfield, P. F., Klotz, M. G., Knief, C., op den Camp, H. J. M., Jetten, M. S. M., Bringel, F., Vuilleumier, S., Svenning, M. M., Shaprio, N., Woyke, T., Trotsenko, Y. A., Stein, L. Y., Kalyuzhnaya, M. G. (2015) Draft genomes of gammaproteobacterial methanotrophs isolated from terrestrial ecosystems. Genome Announc. 3: e00515-15

Marx, C. J., Bringel, F., Chistoserdova, L., Moulin, L., Ul Haque, M. F., Fleischman, D. E., Gruffaz, C., Jourand, P., Knief, C., Lee, M.-C., Muller, E. E. L., Nadalig, T., Peyraud, R., Roselli, S., Russ, L., Goodwin, L. A., Ivanova, N., Kyrpides, N., Lajus, A., Land, M., Médigue, C., Mikahilova, N., Nolan, M., Woyke, T., Stolyar, S., Vorholt J. A., Vuilleumier, S. (2012) Complete genome sequences of six strains of the genus Methylobacterium. J. Bacteriol. 194: 4746-4748.

Knief, C., Dengler, V., Bodelier, P. L. E., Vorholt, J. A. (2012) Characterization of Methylobacterium strains isolated from the phyllosphere and description of Methylobacterium longum sp. nov. Antonie van Leeuwenhoek 101: 169-183.

Knief, C., Frances, L., Vorholt, J. A. (2010) Competitiveness of diverse Methylobacterium strains in the phyllosphere of Arabidopsis thaliana and identification of representative models, including M. extorquens PA1. Microb. Ecol. 60: 440-452.

Knief, C., Ramette, A., Frances, L., Alonso-Blanco, C., Vorholt, J. A. (2010) Site and plant species are important determinants of the Methylobacterium community composition in the phyllosphere. ISME J. 4: 719-728.

Knief, C., Frances, L. Cantet, F., Vorholt, J. A. (2008) Cultivation-independent characterization of Methylobacterium populations in the plant phyllosphere by automated ribosomal intergenic spacer analysis (ARISA). Appl. Environ. Microbiol. 74: 2218 – 2228.

Knief, C., Kolb, S., Bodelier, P. L. E., Lipski, A., and Dunfield P. F. (2006) The active methanotrophic community in hydromorphic soils changes in response to changing methane concentration. Environ. Microbiol. 8: 321 – 333.

Sy, A., Timmers, A. C. J., Knief, C., and Vorholt, J. A. (2005) Methylotrophic metabolism provides advantage for Methylobacterium extorquens during colonization of Medicago truncatula under competitive conditions. Appl. Environ. Microbiol. 71: 7245 – 7252.

Knief, C., and Dunfield, P. F. (2005) Response and adaptation of methanotrophic bacteria to low methane concentrations. Environ. Microbiol. 7: 1307 – 1317.

Knief, C., Lipski, A., and Dunfield P. F. (2003) Diversity and activity of methanotrophic bacteria in different upland soils. Appl. Environ. Microbiol. 69: 6703 – 6714.

 

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