Identification and Characterization of Microbial Key Functions in Soils of the German Biodiversity Exploratories Representing Different Land Use and Management Types

Abstract

Boden beherbergt wahrscheinlich die höchste mikrobielle Artenvielfalt auf der Erde und stellt ein Hauptreservoir für taxonomische, genomische und metabolische Vielfalt von Mikroorganismen dar. Der vielversprechendste Ansatz um Einblicke in die Diversität und Struktur von mikrobiellen Gemeinschaften des Bodens zu gewinnen, ist die Anwendung von kultivierungsunabhängigen Methoden. Außerdem sind diese Methoden wertvoll für die Gewinnung von neuartigen natürlichen Produkten aus Boden. In dieser Studie wurden Wald- und Grünlandbodenproben aus den deutschen Biodiversitäts-Exploratorien Schorfheide-Chorin, Hainich-Dün und Schwäbische Alb mit Hilfe von metagenomischen Methoden analysiert. Aus Ober- und Unterbodenproben, die verschiedene Managementtypen abdecken, wurde Umwelt-DNA isoliert. Durch 16S rRNA Gen-basierte Amplikon Pyrosequenzierung wurde eine phylogenetische Analyse von Grünland- und Waldproben der Schwäbischen Alb (Oberboden) und Grünlandproben des Hainichs (Ober- und Unterboden) ermöglicht. Die bakterielle Diversität war auf der Phylumebene in Grünlandböden größer als in Waldböden. Außerdem konnte ein Effekt der Bodentiefe aufgedeckt werden, diesbezüglich wiesen Oberbodenproben eine höhere Diversität gegenüber Unterbodenproben auf. Innerhalb der Waldböden, die einen breiten pH-Bereich abdeckten, konnte ein signifikanter Einfluss des pH-Wertes sowie der Baumart auf die bakterielle Diversität nachgewiesen werden. Zahlreiche bakterielle Gruppen zeigten auf unterschiedlicher taxonomischer Ebene starke Korrelationen gegenüber dem pH-Wert des Bodens. Dieser pH-Effekt konnte jedoch nicht in den Hainich-Grünlandbodenproben nachgewiesen werden, da ein geringer pH-Bereich durch diese Proben abgedeckt wurde. Stattdessen rief der organische Kohlenstoffgehalt der nahezu neutralen Hainich-Bodenproben statistisch signifikante Effekte gegenüber der Struktur der bakteriellen Gemeinschaften hervor. Unter Verwendung von Umwelt-DNA aus den drei deutschen Biodiversitäts-Exploratorien wurden 14 Plasmid- und 9 Fosmidbanken konstruiert. Die partielle Durchmusterung dieser metagenomischen Genbibliotheken nach lipolytischen und (hemi)cellulolytischen Genen resultierte in der Identifizierung von 37 unterschiedlichen lipolytischen Klonen und 3 verschiedenen (hemi)cellulolytischen Klonen. Die Insert-DNA dieser Klone wurde sequenziert und anschließend analysiert. Es zeigte sich dass 35 Genprodukte der 37 identifizierten lipolytischen Gene bisher unbekannte Vertreter der Lipase-/Esterasefamilien I (echte Lipasen), IV, V, VI und VIII darstellen. Die übrigen beiden Genprodukte repräsentieren Vertreter potentiell neuer Lipase-/Esterasefamilien. Die Insert-DNA von zwei der drei (hemi)cellulolytischen Klone beherbergte Xylanase-kodierende Gene, wogegen die Insert-DNA des übrigen Klones ein Cellulase-kodierendes Gen beinhaltete. Eine Aminosäuresequenzanalyse der Genprodukte zeigte, dass die putative Cellulase eine Kohlenhydratbindedomäne der Familie 9 beherbergt, die zuvor lediglich in Xylanasen detektiert wurde. Durch initiale Charakterisierung der beiden Xylanasen konnte ermittelt werden, dass beide Enzyme eine hohe Aktivität innerhalb eines breiten Temperatur- und pH-Bereichs aufweisen. Außerdem wurde eine biochemische Charakterisierung der Cellulase vorgenommen. Das Enzym war sehr salztolerant und wies eine hohe Aktivität innerhalb eines breiten pH-Bereichs auf.