Prokaryoten-Wachstumsfaktoren als Triebkraft für die Biodiversität im Boden und für Ökosystemprozesse

• Antragsteller: Damien Finn, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 522758166

Die Biodiversität des Bodenmikrobioms wird mit einer Reihe nützlicher Ökosystemprozesse in Verbindung gebracht. Daher sind die ökologischen und evolutionären Mechanismen, die zur Artenvielfalt führen, eine Überlegung wert. Die bisherige Forschung konzentrierte sich auf Bedeutung ökologischer und umwelt Faktoren. Im Gegensatz dazu wurde die Rolle der Auxotrophie, die sich aus dem Verlust von Genen für Wachstumsfaktoren (WF) (evolutionäre Faktoren) ergibt, bisher übersehen. Über evolutionäre Zeit hinweg begünstigt die Selektion Prokaryoten, die Genverluste erleiden, da dies die Belastung durch die Investition von Proteinsynthese in die allgemeine Zellerhaltung verringert. Zu Genverlusten kommt es z.B. durch die Möglichkeit, dass ein Taxon in obligaten Wechselbeziehungen mit anderen Prokaryoten oder Eukaryoten-Wirten eingebunden ist, z. B. in der Rhizosphäre. Es ist möglich, dass sich mutualistische Interaktionen entwickeln, bei denen zwei Auxotrophe einander komplementäre WF zur Verfügung stellen (Arbeitsteilung), oder kommensale Interaktionen, bei denen ein Taxon die Last der Produktion wesentlicher WF für Auxotrophe übernimmt (Black Queen Hypothese). Solche Interaktionen könnten nicht nur die biologische Vielfalt fördern, indem sie die Notwendigkeit der Koexistenz begründen, sondern auch dazu führen, dass auxotrophe Taxa alternativ Proteinsynthese in die Durchführung nützlicher Ökosystemprozesse investieren. Mit einem Metagenomik-Ansatz, der Prokaryoten sowohl auf Gemeinschafts- als auch auf individueller (d. h. genomischer) Ebene berücksichtigt, wird in diesem Projekt untersucht, wie Auxotrophie-abhängige Interaktionen die Biodiversität im Boden und Ökosystemprozesse unterstützen. Die Unteruchen erfolgen mit einem landwirtschaftlich genutzten Boden, auf dem Winterweizen angebaut wird. Das genetische Potenzial wird mit dem Wachstum durch substratinduzierte Kalorimetrie und Atmung verknüpft, die entweder Prototrophe oder Auxotrophe stimulieren. Mit diesem Versuchsplan sollen: 1) allgemeine Assemblierungsmuster zwischen Proto- und Auxotrophen auf der Gemeinschaftsebene identifiziert werden, einschließlich funktioneller Gene, die mit Ökosystemprozessen in Verbindung stehen; 2) die Bedeutung der Rhizosphäre bei der Veränderung von Prokaryoten-abhängigen Interaktionen bewerten werden und zu untersuchen, wie sich dies auf die Zusammensetzung funktioneller Gene auswirkt; und 3) zu bestimmen, ob Cross-Feeding-Interaktionen der Arbeitsteilungs- oder Black Queen Hypothesis entsprechen, und zu bestätigen, dass Auxotroph eher in funktionelle Gene investieren, die Ökosystemprozesse vorantreiben, als in die allgemeine Zellerhaltung. Diese Ergebnisse werden unser grundlegendes Verständnis der Faktoren verbessern, die die Biodiversität in mikrobiellen Bodengemeinschaften fördern, und gleichzeitig untersuchen, wie sich Genverluste innerhalb einzelner Taxa letztlich auf Prozesse wie die Pflanzenproduktivität und den biogeochemischen Kreislauf auswirken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen