Influence of Grassland Management and Herbivory on Diversity and Ecology of plant-associated Bacterial Communities

Abstract

In den vergangenen Jahren rückten Pflanzen-assoziierte Bakterien auf Grund ihrer Bedeutung für die Pflanzengesundheit und das ökologische Gleichgewicht zunehmend in den Fokus aktueller Forschungen. Trotz der stetig steigenden Zahl wissenschaftlicher Studien ist der Einfluss von Bewirtschaftungsmaßnahmen auf die Diversität dieser Bakteriengemeinschaften in Grünlandökosystemen ver-gleichsweise wenig untersucht. In dieser Studie haben wir neue und interessante Erkenntnisse über die Diversität von Pflanzen-assoziierten Bakterien in Grünlandökosystemen gewonnen. Sämtliche Untersuchungen dieser Arbeit wurden auf der GrassMan-Fläche in den Mittelgebirgslagen des Solling in Deutschland durchgeführt. Das GrassMan-Experiment wurde 2008 in einer Matrix von Wiesenplots schachbrett-artig auf historisch altem Grünland errichtet. Die Bewirtschaftungsintensität unterschied sich bezüglich der Häufigkeiten (einmal jährlich im Juli oder dreimal jährlich im Mai, Juli und September) und der Düngung (keine Düngung bzw. Düngung mit NPK). Außerdem wurde durch gezielten Herbizid-Einsatz gegen Monokotylen oder gegen Dikotylen ein Gradient in der Anzahl der Pflanzenarten erzeugt. Die Arbeit umfasst drei Hauptthemen. Erstens wurde der Einfluss verschiedener Bewirtschaftungsmaßnahmen auf die bakterielle Endophyten-gemeinschaft in den drei Grasarten Festuca rubra, Lolium perenne und Dactylis glomerata untersucht. Hierfür wurden im September 2010 und im April, Juli und September 2011 Pflanzenproben auf den Dikotylen-reduzierten Plots gesammelt. Die Umwelt-DNS wurde aus den Proben extrahiert und als Template für 16S PCRs eingesetzt. Die Struktur der bakteriellen Endophyten-Gemeinschaft wurde mittels DGGE-Analyse der erhaltenen PCR-Produkte untersucht. Wir konnten Unterschiede der Endophyten-Gemeinschaftsstrukturen hinsichtlich der verschiedenen Bewirtschaftungsintensitäten feststellen. Während die Düngung einen starken Effekt auf die bakterielle endophytische Diversität sowohl in F. rubra als auch in L. perenne hatte, wurden die bakteriellen Endo-phyten in D. glomerata nicht dadurch beeinflusst. Die Proben von L. perenne, die von den ungedüngten Plots stammten, bildeten zudem eindeutige Gruppen bei der Analyse der DGGE-Banden bezüglich der zwei Schnitthäufigkeiten. Somit beeinflusste auch die Mahd die bakterielle Endophyten-Gemeinschaft in den Pflanzen. Weiterhin konnten wir einen starken saisonalen Effekt auf die Struktur der endophytischen Gemeinschaft nachweisen. Da saisonale Veränderungen und die Pflanzenart die Zusammensetzung der endophytischen Bakteriengemeinschaft beeinflussten, können sich die Auswirkungen unterschiedlicher Bewirtschaf-tungsintensitäten mit der Zeit und der untersuchten Pflanzenart verändern. Dieses Ergebnis sollte bei zukünftigen Studien berücksichtigt werden. Das zweite Ziel dieser Arbeit war die Beantwortung der Frage, wie sich oberirdische Herbivorie auf die Bakteriengemeinschaft in der Rhizosphäre auswirkt. Hierfür wurde im Herbst 2010 ein Lysimeter-Experiment auf der GrassMan-Fläche errichtet. Nach einer zweiwöchigen Herbivorie durch Grashüpfer und Schnecken im Sommer 2011 wurden Bodenproben von jedem Lysimeter genommen. Um Einblicke in die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft in der Rhizosphäre zu erhalten, wurde die Gesamt-DNS aus den Bodenproben extrahiert und als Template in 16S rDNS PCRs eingesetzt. Die Gemeinschaftsstruktur wurde mittels DGGE-Analyse bzw. Pyrosequenzierung der erhaltenen PCR Produkte untersucht. Die Herbivorie hatte keinen Einfluss auf die Anzahl der Bakterien (richness), während leichte Änderungen in der relativen Abundanz von einigen Bakteriengruppen festgestellt wurden. So war zum Beispiel die relative Abundanz einer unkultivierten Acidobacterium-Art in den Herbivorie-Lysimetern erhöht. Bestandteil des Lysimeter-Experiments war zudem die Untersuchung des Einflusses der Pflanzenartenanzahl und der verschiedenen Bewirtschaftungs-maßnahmen auf die bakterielle Gemeinschaft in der Rhizosphäre. Der Einsatz von Herbiziden und eine niedrigere Schnittfrequenz reduzierten die Artenanzahl (richness) der Bakterien in der Rhizosphäre. Die Düngung hatte keinen Einfluss auf die Anzahl der Arten. Weitere Analysen zeigten, dass eine Vielzahl von verschiedenen bakteriellen Taxa in der Rhizosphäre durch die untersuchten Maßnahmen beeinflusst wurde. So war die Abundanz der Acidobacteria in den gedüngten Plots signifikant geringer. Das Gegenteil trat bei den Actinobacteria auf. Abschließend lässt sich sagen, dass Pflanzen-assoziierte Bakterien sowohl in der Endosphäre und Rhizosphäre durch Bewirtschaftungsmaßnahmen beeinflusst werden. Die Untersuchung der Wirkung von verschiedenen Bewirtschaftungsintensitäten im Grünland und von oberirdischer Herbivorie auf Pflanzen-assoziierte Bakterien kann zu einem besseren Verständnis der multitrophischen Interaktionen zwischen Pflanzenart, Bakteriengemeinschaft und oberirdischen Herbivoren führen. Außerdem können uns die Ergebnisse dieser Arbeit helfen, die Effekte unterschiedlicher Bewirtschaftungsmaßnahmen auf Pflanzen-assoziierte Bakteriengemeinschaften und damit zusammenhängende Effekte auf das Bodenökosystem vorherzusagen.