| dc.contributor.advisor | Dippold, Michaela Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Breidenbach, Andreas | |
| dc.date.accessioned | 2024-04-19T14:54:18Z | |
| dc.date.available | 2024-04-26T00:50:07Z | |
| dc.date.issued | 2024-04-19 | |
| dc.identifier.uri | http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?ediss-11858/15215 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10393 | |
| dc.format.extent | 157 | de |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 630 | de |
| dc.title | Soil Multi-Meta-Omics: Unraveling microbial regulation at three post-genomic levels | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Dippold, Michaela Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2024-01-26 | de |
| dc.description.abstractger | Bodenfunktionen haben global eine enorme Wichtigkeit in allen Ökosystemen, insbesondere spielen Böden eine entscheidende Rolle in ökosystemweiten biogeochemischen Stoffkreisläufen, beim Speichern aber auch Mineralisieren von Kohlenstoff (C) und damit zusammenhängend beim Freisetzen von Nährstoffen aus der organischen Bodensubstanz (soil organic matter, SOM). In dieser Dissertation soll unser Verständnis der Schlüsselfunktionen des Bodens im C- und Nährstoffkreislauf verbessert werden. Der Fokus liegt dabei auf einer Feldstudie aus einem Graslandökosystem, wo Veränderungen der Stöchiometrie einem Degradationsprozess unterliegen. Dies hat Konsequenzen für die Interaktionen der Bakterien und Pilze, sowie ihren C- und Nährstoffkreisläufen. Die Beziehung zwischen mikrobiellen Schlüsselfunktionen zur Stöchiometrie wird danach durch ein Laborexperiment, in welchem ein ganzheitliches Verständnis der Regulation des mikrobiellen Metabolismus durch C- und Nährstoffverfügbarkeit generiert werden soll, weiter vertieft.
Das Tibetische Hochland speichert 2,5% des weltweiten bodengebundenen organischen Kohlenstoffs (soil organic carbon, SOC) in seinen Kobresia pygmaea Graslandschaften. Die Degradation des Oberbodens, welche durch den Klimawandel und Überweidung mit Nutztieren hervorgerufen wird, führt zu einem substanziellen Verlust des SOC und Stickstoffs (N), beide lebensnotwendige Elemente für Flora und Fauna. Die Erosion und der Schwund der C Quellen durch den verminderten C-Eintrag und erhöhte C-Mineralisierung erzwingt einen Wechsel in der taxonomischen Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und in der Konsequenz eine Veränderung der Enzymaktivitäten. Dies führt zu einer Verlagerung der mikrobiellen Funktionen von der Verwendung von hydrolytischen Enzymen hin zu Enzymen, die zur Oxidierung von verbleibender persistenter organischen Bodensubstanz in der Lage sind. Dies ist der initiale Schritt der zweiten Phase der Degradation der Wurzelmatten des Graslandes und verhindert, dass Kobresia weiterhin auf den degradierten Flächen wachsen kann. Da der Wechsel zu oxidierenden Enzymen durch einen Mangel an C und Nährstoffen in der mikrobiellen Gemeinschaft verursacht wird, waren weitere Laborexperimente, zur Ergründung der Antwort des mikrobiellen Metabolismus erforderlich. Besonders der Kohlenstoffbasismetabolismus hilft dabei das Verständnis von Veränderungen in den Wachstumsmodi der mikrobiellen Gemeinschaften zu vertiefen: Unter welchen Bedingungen reicht der verfügbare Kohlenstoff aus, um in die Erzeugung neuer Biomasse investiert zu werden? Wie reagiert eine natürliche mikrobielle Gemeinschaft im Boden wenn C rar wird oder C im Überfluss vorhanden ist? Unter welchen Bedingungen investiert sie “nur” in die Neubildung von Speicherstoffen und nicht in Wachstum? Wie wirkt sich die Nährstoffverfügbarkeit in diesem Zusammenhang auf die C Verfügbarkeit aus? Es ist daher notwendig die regulativen Prozesse von der Transkription vom C-Basismetabolismusgenen hin zu der Translation er vorhandenen Proteine zu verstehen und die C-Flüsse des mikrobiellen Metabolismus nachzuverfolgen.
Für das Feldexperiment in Tibet wurde die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft mittels terminalem Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (t-RFLP) und Illumina MiSeq Sequenzierung gemessen. Des Weiteren wurden die Enzymaktivitäten von SOM zersetzenden Enzymen und Enzyme des N-Kreislaufs gemessen. Da es unmöglich ist diese essenziellen Forschungsfragen aus einem Feldexperiment heraus zu beantworten, sie der Fokus eines Laborexperiments mit natürlichem, landwirtschaftlich genutztem Boden. Unter kontrollierten Laborbedingungen war es möglich die Glukosemengen gezielt zu manipulieren indem geringe und hohe Glukosekonzentrationen, sowie Stickstoff- und Phosphatnährstoffe zugesetzt wurden. Während der Experimentdauer von 96 h, wurden nach 24 und 96 h Mikrokosmen geerntet, um Messungen für Phospholipid- (PLFA) und Neutral-Fettsäuren (NLFA), Polyhydroxybuttersäure (PHB), Kohlenstoff in der mikrobiellen Biomasse (microbial biomass carbon, MBC), dem Metatranskriptom und Metaproteom durchzuführen. Für die 13C Fluss-Modellierung wurden die Glukoselösungen zusätzlich mit uniform- und positions-spezifischen 13C Glukose-„Tracer“-Lösungen versetzt und das freigesetzte 13CO2 in Zeitintervallen gemessen.
Die Degradation der Kobresia Weiden führte zu einer Veränderung der Struktur der mikrobiellen
Gemeinschaft, im Besonderen bei deren Mykorrhiza-Partnern. Die Degradation des Graslandes und der Verlust des Oberbodens führte zu einer Verschiebung in der Zusammensetzung der Vegetation und deren assoziierten Mykorrhizapilzen. Zu Anfang ist Kobresia pygmeae mit arbuskulärer Mykorrhiza verbunden, aber mit den zunehmenden Folgen der Degradation wechselt Kobresia zu einer Partnerschaft mit Ektomykorrhizapilzen. Nach dem Verschwinden von Kobresia, verlassen sich die nachfolgenden Sträucher wieder auf arbuskuläre Mykorrhia-Partner. Des Weiteren änderte sich auch die bakterielle Gemeinschaft hin zu Spezies welche komplexe SOM abbauen können und nitrifizierende Bakterien laugen die Nährstoffspeicher des Plateaus weiter aus. Ähnlich ist die reduzierte C Verfügbarkeit im Boden mit der regulativen Veränderung des mikrobiellen C Stoffwechsels aus dem Laborexperiment verbunden: Die C-Flussmodellierung ergab, dass C Flüsse unter niedrigen Glukosekonzentrationen primär eher in die katabole Glykolyse geleitet werden als in den anabolen Pentosephosphatweg. Nach der Glykolyse tritt der C-Fluss aus dem Acetyl-CoA normalerweise in den stark katabolen Tricarbonsäurezyklus (TCA) ein, wo die meiste Energie gewonnen werden kann. Allerdings konnte durch die C-Flussmodellierung festgestellt warden, dass C-Flüsse aus dem Acetyl-CoA in Richtung Speicherstoffbildung gelenkt wurden, wenn niedrige Glukosekonzentrationen vorherrschen. Dies weist auf eine bevorratende Speicherstoffstrategie der mikrobiellen Gemeinschaft hin, welches durch die Messungen von Triglyceriden (TAG) unterstützt wurde. Im Gegensatz dazu, ergab die direkten Messungen des Speicherstoffmetabolites PHB eine starke Beteiligung an der Bildung von Biomasse unter Glukose C Überschuss, eine eine Rücklagenspeicherstoffsttrategie. Beide Speicherstoffe erfüllen somit unterschiedliche Rollen in den Wachstumsmodi der mikrobiellen Gemeinschaften. Die starken negativen Wechselwirkungen zwischen dem Tricarbonsäurezyklus- (TCA) und dem Speicherstoff-Pfad im Metatranskriptom und dem Metaproteom untermalen die Wichtigkeit von Speicherstoffbildung, welche eine intermediäre C Quelle für die mikrobielle Gemeinschaft darstellt. Speicherstoffe sind jedoch keine langanhaltenden SOC-Speicher im Ökosystem.
In der Schlussfolgerung sorgen Umweltveränderungen wie der Klimawandel oder anthropogen verursachte Degradation für nachteilige Konsequenzen für die mikrobielle Gemeinschaft im Boden durch einen hervorgerufenen Wechsel in deren struktureller Zusammensetzung und Funktionsweise mit Auswirkungen auf etlichen Ebenen des Ökosystems. C Verfügbarkeit und Gehalt spielen große Rollen in den regulativen Prozessen der post-genomischen Ebenen im Vergleich zu anderen Nährstoffen, da C der limitirendste Faktor für die Bakterien und Pilze des Bodens ist. Die Bildung von Speicherstoffen scheint eine weitaus größere Rolle im C Zyklus des Bodens zu spielen als bisher angenommen. Gut etablierte molekularbiologische Methoden auf der Genomebene können einen groben Überblick über die Strukturen der mikrobiellen Gemeinschaften – und in begrenztem Umfang – auch über deren Funktionen geben, aber Metatranskriptomiks, Metaproteomiks und Meta-Fluxomiks erweitern diese Einsicht in den mikrobiellen Metabolismus und vertiefen das Verständnis über mikrobielle Reaktion auf Umweltveränderungen. Jedoch sind die Richtungen der Regulation in der Transkription, der Translation und der Kohlenstoffflüsse zu Energieproduktion, Replikation oder Speicherstoffbiosynthese nicht immer schlüssig. Daher bleibt die Interpretation der Regulationsprozesse im Besonderen in natürlichen mikrobiellen Umgebungen ein komplexes und schwieriges Unterfangen, welches jedoch bei einer Vertiefung vergleichender und zeitlich aufgelöster Ansätze einen tiefgreifenderen Einblick in den mikrobiellen C Metabolismus erlaubt. | de |
| dc.description.abstracteng | Soil functions are key in all ecosystems globally. Specifically soils play a pivotal role in ecosystem
biogeochemical cycles, sequestering but also mineralizing carbon (C), and in this context releasing
nutrients from the soil organic matter (SOM). This thesis aims to improve our understanding of key soil
microbial functions involved in C and nutrient cycling, starting with a case study from a grassland
ecosystem where degradation induces massive C losses and by that shifts in C and nutrient
stoichiometry, which induce cascading effects of the interaction of microbes and plants with C and
nutrient cycling. This relation of key microbial functions to element stoichiometry is then further
deepened in a laboratory study to generate a more holistic understanding on the control of the
microbial metabolism by C and nutrient availability.
About 2.5 % of global soil organic carbon (SOC) are stored in Tibetan Plateau’s Kobresia pygmaea
grasslands. Topsoil degradation due to climate change and overgrazing with life stock led to a
substantial loss in SOC and nitrogen (N), both vital elements for the flora and fauna. The erosion and
depletion of C sources due to decreased C input and increased C mineralization forced a shift of the
taxonomic composition of the microbial community and in consequence the enzymatic activities
expressed. This led to a change in microbial functions from the utilization of hydrolytic enzymes
towards enzymes capable of oxidizing the remaining recalcitrant SOM, being the initial step of the
second phase of degradation of the pasture’s root mats and thereby removing Kobresia’s ability to
further grow on the degraded sites. As the key switch towards oxidizing enzymes is controlled by
microbial C and nutrient deficiency, further laboratory experiments were needed to elucidate the
response of the microbial metabolism on such stoichiometric shifts. Especially deepened insights into
the base C metabolism help to understand changes in soil microorganisms’ growth modes, the key
feature of predicting their C and nutrient demand: (1) Under which conditions is the available soil C
sufficient to invest into the formation of new biomass? (2) How does a natural soil microbial
community react when C sources are scare or plentiful? (3) Under which conditions do they “merely”
invest into the formation of storage compounds and not into growth? (4) How does nutrient availability
in this context interact with C availability? To answer these research questions, it is necessary to also
understand the regulatory processes from the transcription of base C metabolism genes towards the
translation to actual proteins and to trace the C fluxes of the soil microbial metabolism.
The samples from the field experiment in Tibet were analyzed using terminal restriction fragment
length polymorphism (t-RFLP) and Illumina MiSeq sequencing to elucidate the microbial community
structure. In addition, the enzyme activity of SOM degrading enzymes and N cycling related
exoenzymes were measured. The research question regarding regulatory processes in the C metabolism would have been impossible to be answered in a field experiment, therefore the key
questions were targeted by a laboratory experiment with natural agricultural soil. Under controlled
laboratory conditions it was possible to manipulate the glucose amounts by adding low and high
concentrations of glucose and N and phosphate (P) as nutrients. Over the course of the experiment of
96 h, microcosms were harvested after 24 and 96 hours for the measurements of phospho- (PLFA) and
neutral lipid fatty acids (NLFA), polyhydroxybutyrate (PHB), microbial biomass carbon (MBC), the
metatranscriptome and metaproteome. For 13C flux modelling, the glucose treatment solutions were
also treated with uniformly and position-specifically labelled glucose and 13CO2 respiration was
measured in time intervals.
The degradation of the Kobresia pastures and the loss of the topsoil layer led to a shift in the microbial
community structure especially in their mycorrhizal partners. As Kobresia pygmeae was first associated
with arbuscular mycorrhizal fungi, the increasing severity of the degradation then led to a shift towards
an association of Kobresia with ectomycorrhizal fungi. Furthermore, the bacterial community shifted
towards species capable of degrading complex SOM and nitrifying bacteria further depleting the
nutrient stocks on the plateau. The underlying regulatory change in microbial C metabolism of this shift
were revealed by the laboratory experiment with reduced C availability in the agricultural soil:
Metabolic flux modelling suggests that C fluxes were primarily directed into the catabolic glycolysis
rather than the anabolic pentose phosphate pathway (PPP) in low glucose concentrations. After
glycolysis, the C fluxes from acetyl-CoA usually enter the strongly catabolic tricarboxylic acid cycle
(TCA), where the most energy can be generated. However, flux modelling also detected that from
acetyl-CoA the C fluxes were directed towards storage compound formation in low glucose conditions.
This hints towards a reserve storage strategy by the microbial community, which was supported by
triacylglycerols (TAG) storage compound extraction. In contrast, the direct measurement of the
storage compound metabolite PHB revealed a strong contribution to the formation of biomass under
glucose excess conditions, a surplus storage strategy. So that both storage compounds fulfill different
roles in microbial communities’ growth modes. The strong negative relationship between the TCA cycle
and storage pathways in the metatranscriptome and metaproteome also underlined the importance
of storage compound formation, which is a C resource of intermediate microbial availability, not
contributing to the long-term SOC storage of an ecosystem.
In conclusion, environmental changes such as climate change or anthropogenic induced degradation
often exert unfavorable consequences on the soil microbial communities by shifting their structural
composition and their functioning with implication on various scales. C availability and contents play a
major role rather than other nutrients in the regulatory processes on the post-genomic levels, as C is
the most restrictive growth factor in soils for bacteria and fungi. The formation of storage compounds seems to play a much bigger role in soil C cycling than anticipated before. Well-established molecular
biology methods on the genome level can give a broad overview of the microbial community structure
and – by some extend – of their potential function, but only the combination of metatranscriptomics,
metaproteomics and meta-fluxomics in multi-meta-omics approaches will help broaden the insight
into the microbial metabolism and deepen the understanding of microbial responses on environmental
changes. However, transcription, translation, and the direction of C fluxes towards energy production,
replicative growth or storage compound biosynthesis are not always coherent between the post-
genomic levels. Therefore, the interpretation of regulatory processes remains a complex and difficult
endeavor in natural microbial environments but harbor the possibility of a more profound
understanding of the microbial C metabolism if further deepened in comparative, time-resolved
approaches. By that, microbial feedbacks within degradation cascades can be revealed and potential
mitigation strategies elaborated. | de |
| dc.contributor.coReferee | Scholten, Stefan Prof. Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Spielvogel, Sandra Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | Tibet | de |
| dc.subject.eng | C Metabolism | de |
| dc.subject.eng | Metatranscriptomics | de |
| dc.subject.eng | Metaproteomics | de |
| dc.subject.eng | Carbon flux modelling | de |
| dc.subject.eng | Storage compounds | de |
| dc.subject.eng | PHB | de |
| dc.subject.eng | TAG | de |
| dc.subject.eng | Glycolysis | de |
| dc.subject.eng | Pentose phosphate pathway | de |
| dc.subject.eng | TCA | de |
| dc.subject.eng | Microbial community | de |
| dc.subject.eng | Enzyme activity | de |
| dc.subject.eng | SOC quality | de |
| dc.subject.eng | Degradation | de |
| dc.subject.eng | Pasture | de |
| dc.subject.eng | Grassland | de |
| dc.subject.eng | Erosion | de |
| dc.subject.eng | Carbon cycle | de |
| dc.subject.eng | Element cycles | de |
| dc.subject.eng | Microbial ecology | de |
| dc.subject.eng | Stable isotope analysis | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-ediss-15215-6 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Agrarwissenschaften | de |
| dc.subject.gokfull | Land- und Forstwirtschaft (PPN621302791) | de |
| dc.description.embargoed | 2024-04-26 | de |
| dc.identifier.ppn | 1886415315 | |
| dc.identifier.orcid | 0000-0002-7880-2340 | de |
| dc.notes.confirmationsent | Confirmation sent 2024-04-19T15:15:01 | de |