FOR 918: Carbon flow on belowground food webs assessed by isotope tracers
Biologie
Medizin
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Organismengemeinschaft des Bodens sowie die Struktur und Funktion ihrer Nahrungsnetze spielen eine wesentliche Rolle für den Kohlenstofffluss im Boden. Aufgrund des kryptischen Habitats stehen jedoch nur geringe Kenntnisse zu trophischen Interaktionen in Bodenökosystemen zur Verfügung. Die Forschergruppe 918 untersucht Bodennahrungsnetze mit dem übergeordneten Ziel Kohlenstoffflüsse zu quantifizieren, Schlüsselgruppen zu identifizieren, und Nahrungsnetzmodelle zu etablieren. Mittels Istopentechnik wurde in Feld- und Laborexperimenten der Kohlenstofftransfer von Pflanzen über Wurzeln und oberirdische Streu in das Zersetzersystem bestimmt. Hierbei kamen stabile Isotope (13C, 15N) und im Labor zusätzlich Radioisotope (14C) zum Einsatz. Die Gesamtmarkierung der Organismen und von spezifischen Komponenten, wie Fettsäuren und Nukleinsäuren, wurden analysiert. Auf einer landwirtschaftliche Fläche mit langfristigem Anbau von C3 Ackerfrüchten wurde über die Pflanzung der C4 Pflanze Zea mays sowie die Ausbringung von Maisstreu ein 13C Signal eingebracht. Die Nahrungsnetzstruktur und die Kohlenstoffdynamik wurden anhand von Zeit- und Tiefengradienten untersucht. Das Hauptaugenmerk der ersten Förderphase war die unterschiedliche Qualität der oberirdischen (rekalzitrante Streu) und unterirdischen (leicht abbaubare Rhizodeposite) Ressourcen. In der zweiten Förderphase wurde über die Entfernung der Ackerpflanze die Herbivoren- und Detritivorenkette manipuliert. Die Hauptpfade des Kohlenstoffflusses über den bakteriellen und pilzlichen Kanal wurden differenziert und ein komplettes Budget für das Nahrungsnetz erstellt. Es zeigte sich, dass Poolgröße und Flussrate nicht korrelieren und dass saprophytische Pilze, obwohl durch geringe Biomasse gekennzeichnet, eine Schlüsselgruppe für den Transfer von pflanzenbürtigem Kohlenstoff in das Nahrungsnetz darstellen. Dieser Dominanz des pilzlichen Kanals ließ sich über ein breites Spektrum von Taxa, insbesondere bei pilzfressende Nematoden und Zersetzern der Makrofauna, verfolgen. In Laborstudien wurden die Schlüsselorganismen identifiziert, welche am Kohlenstofffluss in Rhizosphäre (13CO2 Markierung der Pflanze) und Detritusphäre (13C Markierung von Glukose, Zellulose, Pflanzenstreu) beteiligt sind. Die Analyse des Einbaus von 13C in Mikroorganismen und Mikrofauna mittels Stable Isotope Probing (SIP) in RNA und Fettsäuren weist auf starke Interkonnektivität der Energie- und Kohlenstoffkanäle sowie auf eine hohe Bedeutung von „crossfeeding“ und Intragilde-Prädation hin. Insbesondere rekalzitrante Substrate führen zu einer Zunahme der Komplexität des Nahrungsnetzes. Die Protisten agierten nicht nur als Bakterivore, sondern auch als Fungivore, und Myxobakterien stellten aktive Bakterienfresser dar. Intramikrobielles Räubertum wurde fast ausschließlich an Gram-negativen Taxa nachgewiesen, was auf eine ausgeprägte Nischendifferenzierung hinweist. Die Forschergruppe legt das erste empirisch basierte Kohlenstoff-Budget, mit Pools und Flüssen der Hauptkompartimente, für ein Bodennnahrungsnetz vor. Biomassen und Kohlenstoffeinbau für ein breites Spektrum von Taxa, alle trophischen Ebenen und unterschiedliche Bodenhorizonte wurden erfasst und in zwei Freilandexperimenten in Relation zur Qualität und Verfügbarkeit der Nahrungsnetzressourcen gesetzt. Kombiniert mit den Ergebnissen zu Biomasseflüssen und Räuber-Beute-Interaktionen aus den Laborexperimenten bildet dies eine exzellente Grundlage zum Erstellen empirisch gestützter Modelle zum Kohlenstofffluss durch Bodennahrungsnetze.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Kramer, S., Marhan, S., Ruess, L., Armbruster, W., Butenschoen, O., Haslwimmer, H., Kuzyakov, Y., Pausch, J., Scheunemann, N., Schoene, J., Schmalwasser, A., Totsche, K.U., Walker, F., Scheu, S., Kandeler, E.
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(2013). Temporal variation in surface and subsoil abundance and function of the soil microbial community in an arable soil. Soil Biology and Biochemistry 61, 76–85
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Kramer, S., Dibbern, D., Moll, J., Huenninghaus, M., Koller, R., Krueger, D., Marhan, S., Urich, T., Wubet, T., Bonkowski, M., Buscot, F., Lueders, T., Kandeler, E.
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(2016). Small but active – pool size does not matter for carbon incorporation in below-ground food webs. Functional Ecology 30, 479-489
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Geisen, S., Koller, R., Hünninghaus, M., Dumack, K., Urich, T., Bonkowski, M.
