Die Produktion des Treibhausgases Methan durch Archaeen im Nassfeldanbau von Reis ist von großer Relevanz für das Weltklima. In einem Mikrokosmenexperiment wurden die Bewirtschaftungsphasen im Anbau von Nassreis simuliert und die Populationsdynamik der Archaeen in drei unterschiedlichen Reisböden untersucht. Die molekularbiologische Analyse ausgesuchter Bewirtschaftungszustände (flooded und drained) mit Hilfe von DGGE zeigte deutliche Populationsshifts der Archaeen. Chemische und strukturelle Veränderungen des Bodens wurden ebenfalls beobachtet

Eickhorst, Thilo

Knauth, Stefan

Tippkötter, Rolf

German

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Tagungsbeitrag zu: Jahrestagung der DBG Kommission III Titel der Tagung:  Böden - eine endliche Ressource Veranstalter:  DBG, September 2009, Bonn Berichte der DBG  (nicht begutachtete online Publikation)    http://www.dbges.de/   Bewirtschaftungsinduzierte Populations-veränderungen von Archaeen in Paddy Soils  Stefan Knauth*, Thilo Eickhorst und Rolf Tippkötter Zusammenfassung Die Produktion des Treibhausgases Methan durch Archaeen im Nassfeldanbau von Reis ist von großer Relevanz für das Weltklima. In einem Mikrokosmenexperiment wurden die Bewirtschaftungsphasen im Anbau von Nassreis simuliert und die Populationsdyna-mik der Archaeen in drei unterschiedlichen Reisböden untersucht. Die molekularbiologi-sche Analyse ausgesuchter Bewirtschaf-tungszustände (flooded und drained) mit Hil-fe von DGGE zeigte deutliche Populations-shifts der Archaeen. Chemische und struktu-relle Veränderungen des Bodens wurden ebenfalls beobachtet. Paddy soil, Archaeen, DGGE, Reis, Klima, Methan 1 Einleitung Die Kultivierung von Reis (Oryza sativa L.) auf überfluteten Böden (Paddy Soils) liefert einen bedeutenden Beitrag zur Emission des klimarelevanten Gases Methan, welches im letzten Schritt des mikrobiellen anaeroben Abbaus organischer Substanzen durch met-hanogene Archaeen gebildet wird (Liesack et al., 2000).  Institut für Bodenkunde, Universität Bremen  Leobener Str. - UFT, 28359 Bremen  *sknauth@uni-bremen.de Im Verlauf der unterschiedlichen Bewirt-schaftungsphasen (Puddling, Überflutung und Dränierung) erfahren diese Böden er-hebliche Zustandsänderungen, die sich di-rekt auf die Lebensbedingungen und Habita-te der Archaeen auswirken. In zahlreichen Untersuchungen zur Popula-tionsdynamik von Archaeen ist der Einfluss der bewirtschaftungsinduzierten Zustände des Bodens bisher kaum berücksichtigt wor-den. Zur Erfassung dieses Einflusses wurden in einem Mikrokosmenexperiment die ver-schiedenen Bewirtschaftungsphasen simu-liert (Eickhorst, 2007) und die Populations-entwicklung der Archaeen in drei unter-schiedlichen Böden Süd-Ost Chinas mit Hilfe molekularbiologischer Methoden analysiert. 2 Material und Methoden Ungestörte Bodenproben von drei unter-schiedlichen Reisböden wurden in Mikrokos-men (Höhe = 30 cm, ∅ = 25 cm) in Süd-Ost China, in der Nähe von Wujiang, Jiangsu Province (HC) und Yingtan, Jiangxi Province (LC, MC) entnommen. In einer Klimakammer wurden die Mikrokos-men mit Reis (Oryza sativa L.) bepflanzt und die Bewirtschaftungsphasen entsprechend den subtropischen Klimabedingungen Süd-Ost Chinas simuliert (Eickhorst, 2007). Die Grundcharakterisierung der Böden (Tab. 1) und die kontinuierliche Erfassung zustands-relevanter Parameter (Tab. 2) erfolgten nach Eickhorst (2007). Tab. 1: Textur und chemische Grundparameter der untersuchten Böden. LC MC HC Ton [%] 12,5 23,3 41 Schluff [%] 26,2 44 58,1 Sand [%] 61,3 32,7 0,9 Organ. Subst. 1,8 3,42 3,2 Gesamt C 1,05 1,99 1,86 C/N 10,2 10,6 11,1 pH (CaCl2) 4,7 4,6 4,7 Elektr. Leitf. [µS/cm] 34 51 174 Zur Darstellung des Porenraumes zum Zeit-punkt der Bewirtschaftungszustände eine Woche vor (flooded) und nach der Ernte (drained), wurden ungestörte Bodenproben aus dem Oberboden entnommen. Diese wurden nach der Entwässerung durch eine aufsteigende Acetonreihe (70, 80, 90 und 100 %) unter Vakuum mit farbigem Polyes-ter-Harz (Palatal P50) imprägniert (Eickhorst, 2007). Parallel wurden Bodenproben aus den Tiefen (1) 0 - 0,5 cm, (2) 2,0 - 2,5 cm und (3) 3,5 - 4,0 cm zur molekularbiologi-schen Untersuchung der Populationsverän-derungen der Archaeen mit Hilfe der Denatu-rierenden Gradienten Gelelektrophorese (DGGE) entnommen. Die DNA wurde mit dem FastDNA® SPIN Kit for Soil  (MP Bio-medicals) extrahiert. Mit Hilfe der Polymerase Kettenreaktion (PCR), unter Verwendung der Primer 357Fgc und 691R (Watanabe et al., 2004), wurden Genfragmente der 16S rDNA von Archaeen amplifiziert und durch den Einsatz der DGGE ein molekularer Fingerprint erstellt. Dabei wurde ein Harnstoff-Formamid-Gradient von 40 zu 60 % Denaturant verwendet und die DGGE 16 h mit 70 V durchgeführt. Nach dem Anfärben der DNA-Banden durch Ethidiumbromid wurde das Gel fotografiert und unter Verwendung von TotalLab TL 120 (Phoretix) die Intensität der Banden bestimmt sowie eine Neighbor-joining Cluster-Analyse (Saitou & Nei, 1987) durchgeführt. 3 Ergebnisse Die DGGE-Fingerprints der Archaeen lassen deutliche Unterschiede der Bandenmuster als auch der Bandenintensitäten erkennen (Abb. 1). Die Cluster-Analyse dieser Finger-prints zeigt signifikante Unterschiede (a) zwi-schen den drei Böden LC, MC und HC sowie (b) den beiden Bewirtschaftungszuständen (flooded und drained) als auch (c) den Ent-nahmetiefen (Abb. 2). Die relativen Distanzen zwischen den Tiefen besonders im dränierten Zustand variieren beim LC und beim MC stärker als beim HC. Dies verdeutlicht, dass durch die Zustands-änderung in den Böden LC und MC stärkere Populationsveränderungen der Archaeen in-duziert werden als im HC.   Abb. 1: DGGE-Gel der Böden LC, MC und HC zu den Bewässerungszuständen (flooded, drained) aus den Tiefen (1) 0 - 0,5 cm, (2) 2,0 - 2,5 cm und (3) 3,5 - 4,0 cm.   Abb. 2: Clusteranalyse (Neighbor-joining) der DGGE-Fingerprints aus Abb. 1. Tiefen: (1) 0-0,5 cm, (2) 2,0-2,5 cm und (3) 3,5-4,0 cm. Skala: relative Distanzen. Die Unterschiede zwischen den Böden und den Bewirtschaftungszuständen sind ebenso bei ausgewählten chemischen und physikali-schen Bodenparametern reflektiert (Tab. 2). Im Verlauf der Austrocknung ist eine Ver-schiebung des Redoxpotentials (Eh) von ne-gativen zu positiven Werten zu beobachten, während sich der pH-Wert nur geringfügig ändert. Gleichfalls verringerte sich der besiedelbare Porenraum besonders in den Böden mit hö-heren Tongehalten (MC, HC). Die zugrunde liegende Veränderung der Bodenstruktur im Zuge der Austrocknung des Reisbodens ist in Abb. 3 dargestellt. Der volumetrische Wassergehalt (θ) nimmt bei allen drei Böden im Zuge der Austrock-nung ab. Die ermittelten Differenzen zwi-schen den Wassergehalten der Bewässe-rungsphasen "flooded" und "drained" lagen für den Boden LC bei 27 %, beim Boden MC bei 21 % und beim Boden HC bei lediglich 20 %.  Abb. 3: Dreidimensionale Darstellung imprägnierter, polierter Bodenblöcke der zwei Bewirtschaftungszu-stände. 4 Schlussfolgerungen Die beobachteten Veränderungen der Bo-denstruktur (Abb. 3) und chemischer Para-meter (Tab. 2) wirken sich auf die Habitate der Mikroorganismen so aus, dass ein Popu-lationsshift der anaerob lebenden Archaeen zu beobachten ist (Abb. 1 und 2). Die Böden zeigten dabei unterschiedlich starke Verän-derungen der relativen Ähnlichkeiten zwi-schen den Zuständen und den Tiefen (Abb. 2), von denen angenommen wird, dass sie durch die unterschiedliche Struktur und Textur der Böden beeinflusst wurde. Für die beobachteten Populationsshifts wird u. a. das Redoxpotential der Habitate ver-antwortlich gemacht, welches sowohl durch das Überstands- und Bodenwasser als auch durch die Textur und Struktur der Böden be-einflusst wird. Hinzu kommt, dass die Böden unterschiedlich schnell entwässert und eben-falls ungleich schnell belüftet wurden.  Die beobachteten Populationsveränderungen der Archaeen können vermutlich darauf zu-rückgeführt werden, dass sich nicht alle Spe-zies der Archaeen in kurzer Zeit an den ver-änderten Sauerstoffgehalt und das resultie-rende Redoxpotential im Boden anpassen konnten (Pesaro et al., 2004). Die unterschiedliche Textur eines Bodens, die sich entscheidend auf verschiedene Pa-rameter wie Wassergehalt und Redoxpoten-tial auswirkt, beeinflusst somit indirekt die Entwicklung der mikrobiellen Population.   Tab. 2: Ausgewählte Bodenparameter. Boden LC MC HC Zustand flooded drained flooded drained flooded drained pH (CaCl2) 6,4 6,2 6,1 6,1 6,2 6,1 Redoxpotential (Eh) [mV] -218 763 -196 365 -255 72 C/N 10,1 11,9 9,9 11,6 10,7 12,3 Vol. Wassergehalt θ [%] 46,4 19,6 55,5 33,9 56,7 36,7 Besiedelbarer Porenraum [%] 42,8 45,8 37,2 25,2 31,4 10,9        Literatur Eickhorst, T. (2007). Mikrohabitate in Paddy Soils - Anwendung molekularbiologischer Detektionsverfahren zur Charakterisierung bewirtschaftungsinduzierten Änderungen der mikrobiellen Dynamik. Dissertation, Universi-tät Bremen. Liesack, W., Schnell, S. und Revsbach, N. P. (2000). Microbiology of flooded rice paddies. FEMS Microbiol. Rev. 24, 625-645. Pesaro, M., Nicollier, G., Zeyer, J. und Wid-mer, F. (2004). Impact of soil drying-rewetting stress on microbial communities and activities and on degradation of two crop protection products. Appl. Eniron. Microbiol. 70, 2577-2587. Saitou, N. und Nei, M. (1987). The Neighbor-joining method: A new method for recon-struction phylogenetic trees. Mol. Biol. Evol. 4, 406-425. Watanabe, T., Asakawa, S., Nakamura, A., Nagaoka, K. und Kimura, M. (2004). DGGE method for analyzing 16S rDNA of methano-genic archaeal community in paddy field soil. FEMS Microbiol. Lett. 232, 153-163. 

Bewirtschaftungsinduzierte Populationsveränderungen von Archaeen in Paddy Soils

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