Skalenübergreifende Visualisierung biogeochemischer Gradienten zur Entschlüsselung der Interaktion Wurzel-Bodenmikrobiom-Bodenmatrix in der Rhizosphäre

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Hans Hermann Richnow
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften ; Ökologie der Landnutzung ; Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403641683

Es sollen Struktur, Funktion und Aktivität des Bodenmikrobioms im System Wurzel – Mikrobiom – Bodenmatrix in der Rhizosphäre untersucht werden. Dazu soll die räumliche Organisation des Mikrobioms bestehend aus Bakterien und Pilzen in Hinblick auf seine Wechselwirkung mit Wurzeln sowie mineralischen Bodenaggregaten erfasst werden. Die skalenübergreifende Analyse vom nm zum cm Bereich soll räumliche Muster biogeochemischer Prozesse sichtbar machen, um Selbstorganisation und Resilienz der Rhizosphäre besser zu verstehen. Ausgangpunkt ist die räumliche Organisation der biogeochemischen Prozesse der Wurzel – Mikrobiom – Boden Interaktion im Hinblick auf Kohlenstoff- und Nähstoffkreisläufe. Schwerpunkt ist die Analyse der mikrobieller Prozesse Wurzel-Bodenpartikel Grenzflächen, die die Verfügbarkeit der Nährstoffe (P, N Metalle) für die Pflanzenwurzel beeinflussen sowie zur Bildung organischer Phasen im Boden durch Transformation Pflanzen-brütigen organischen Materials (mucilage, exudate) beitragen.Wir werden Struktur, Funktion und Aktivität mikrobieller Gemeinschaften an Wurzeloberflächen und -haaren in Hinblick auf ihre räumliche Organisation erfassen und für die Selbstorganisation der Rhizosphäre essentielle Prozesse quantifizieren. Dazu werden biogeochemische Gradienten (C, N, P Metalle) visualisiert um Prozesse anhand von Mustern auf verschieden räumlichen Skalen erfassen. Ausgehend vom Gradienten im Wurzelraum (cm-Skala) werden wir Prozesse bis in die räumliche Dimension einzelner mikrobieller Zellen (wenige nm) erfassen. Die Identifikation und Quantifizierung einzelner mikrobieller Prozesse auf Wurzeloberflächen / Wurzelhaaren / Bodenpartikel ist Ausgangspunkt für das Verständnis ihrer Wechselwirkungen in der Rhizosphäre als Summe der Einzelprozesse. Wir werden die komplementären Techniken Laser-Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, Licht/Fluoreszenzmikroskopie, Sekundärionenmassenspektrometrie (ToFSIMS, nanoSIMS), Elektronenmikrokopie, Heliumionenmikrokopie, und Fluoreszenz In-Situ Hybridisierung korrelativ zur Visualisierung von Gradienten der Elemente, Isotopen und organischen Verbindungen nutzen. Die dadurch gewonnenen Daten werden zusammengeführt und dabei Muster der räumlichen Organisation der Prozesse in der Rhizosphäre erfasst. Dadurch wird eine skalenübergreifende Betrachtung der Organisation des Mikrobioms ermöglicht und so die räumliche Dimension einzelner mikrobieller Prozesse mit dem Wurzelwachstum verknüpft. Tracerexperimente mit isotopisch markierten Verbindungen (11B, 13C, 15N) werden ausgewertet, um den Kohlenstoffhaushalt und die Dynamik von Nährstoffen (N, B, P, Metalle) auf verschiedenen Skalen zu analysieren. Es soll eine ganzheitliche Betrachtung als Summe der Einzelprozesse ermöglicht werden um Selbstorganisation und Resilienz der Rhizosphäre zu erfassen sowie Daten für die Modellierung zu liefern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2089: Rhizosphere Spatiotemporal Organisation - a Key to Rhizosphere Functions
• Mitverantwortliche: Dr. Niculina Musat; Dr. Matthias Schmidt; Hryhoriy Stryhanyuk, Ph.D.; Professor Dr.-Ing. Stephan Wagner