Molekulare mikrobielle Ökologie in landwirtschaftlich genutzten Bodensystemen

• Forschungsstelle: ART
• Projektnummer: 08.33.04.01
• Projekttitel Englisch: Molecular microbial ecology of agricultural soil systems
• Kurztitel: Molekulare mikrobielle Bodenökologie

Schlüsselwörter (Englisch)

microbial community structures, genetic markers, genetic profiling

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Beurteilung der Bodenqualität stellt für die landwirtschaftliche Praxis ein wichtiges Instrument für die Sicherstellung einer nachhaltigen Bodennutzung dar. Die Erhebung chemischer, physikalischer und biologischer Bodendaten werden routinemässig zu diesem Zweck herangezogen. Bodenbiologische Qualitätscharakteristika werden weitgehend durch Summenparameter wie mikrobielle Biomasse, Bodenatmung und Enzymaktivitäten erfasst. Solche Methoden haben sich als äusserst hilfreiche Instrumente erwiesen, jedoch sind sie nicht geeignet, um Strukturen mikrobieller Populationen, deren Biodiversität und spezifische Aktivität in Böden zu erfassen. Eine intakte mikrobielle Gemeinschaft im Boden und die Vielzahl der mikrobiellen Umsetzungsprozesse und Funktionen stellen wichtige Bestandteile der Bodenqualität dar (Verordnung über die Belastung des Bodens, VBBo). Neue molekularbiologische Methoden bieten die Möglichkeit, die Komplexität mikrobieller Gemeinschaften und deren Aktivitäten auf der Ebene der Erbsubstanz (DNS) und der exprimierten Gene (RNS) im Boden zu untersuchen und Veränderungen nachzuweisen. Dieser Ansatz ist in der internationalen wissenschaftlichen Literatur breit dokumentiert wurde bei ART im AP04-07 erfolgreich durch den Supportbereich Molekulare Ökologie implementiert.

Verschiedene Faktoren können die biologische Bodenqualität beeinflussen. Dazu gehören unter anderem die grossflächige Anwendung von chemischer oder biologischer Schädlingskontrolle, die Bodennutzung und -bearbeitung, der Eintrag von Schadstoffen, klimatische Veränderungen, sowie der Einsatz gentechnisch veränderter Organismen. Gegenwärtig ist es jedoch noch nicht möglich vorherzusagen, welche mikrobiellen Populationen von einer landwirtschaftlichen Massnahme oder einem Umweltfaktor negativ oder positiv beeinflusst werden und wie sich dies auf die Bodenqualität auswirkt. Deshalb werden Veränderungen in mikrobiellen Bodenpopulationen in unterschiedlichen Systemen untersucht und charakterisiert, um so unerwünschte Veränderungen und empfindliche Organismengruppen zu identifizieren.

Die Erarbeitung der Grundlagen für die detaillierte Beschreibung mikrobieller Populationsstrukturen und deren spezifischer Aktivitäten in landwirtschaftlich genutzten Böden stellt daher einen wichtigen Bestandteil der biologischen Bodenqualitätskontrolle dar.

Projektziele (Deutsch)

· Generell hat dieses Projekt das Ziel, mikrobiologische Indikatoren für Veränderungen der Bodenqualität zu definieren. Die Definition und der Erhalt von Bodenqualität ist ein Hauptziel der nachhaltigen Bodennutzung und von breitem Interesse für Wissenschaft und Vollzug.

· Methoden, um mikrobielle Bodenpopulationen auf der DNA und der RNA Ebene zu beschreiben stehen zur Verfügung und werden laufen weiterentwickelt. Diese Methoden werden im Rahmen des Supportauftrages den ART Forschungsgruppen und mittels Publikation der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft und den Behörden zur Verfügung gestellt.

· Die entwickelte Methodik wird angewendet und validiert, indem Effekte landwirtschaftlicher Massnahmen auf die Bodenmikrobiologie erfasst werden. Dies erfolgt im Rahmen von ART internen und drittfinanzierten Forschungsprojekten (z.B.):

Effekte landwirtschaftlicher Nutzung und Bodenbearbeitung (z.B. im DOK Versuch)

Effekte grossflächig eingesetzter chemischer und biologischer Schädlingsbekämpfungsmittel

Effekte gentechnisch veränderter Organismen (z.B. transgene Pflanzen)

· Die Daten aus diesen Untersuchungen werden mittels Publikationen dem interessierten Publikum, insbesondere der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft und den Behörden zur Verfügung gestellt.

Neue Kenntnisse/Literatur (Deutsch)

M. Hartmann, B. Frey, R. Kölliker, and F. Widmer (2005). Semi-automated genetic analyses of soil microbial communities: comparison of T-RFLP and RISA based on descriptive and discriminative statistical approaches. Journal of Microbiological Methods 61:349-360

M. Pesaro, and F. Widmer (2006). Identification and specific detection of a novel Pseudomonadaceae cluster associated with soils from winter wheat plots of a long-term agricultural field experiment. Applied and Environmental Microbiology 72:37-43

F. Widmer, F. Rasche, M. Hartmann, and A. Fliessbach (2006). Community structures and substrate utilization of bacteria in soils from organic and conventional farming systems of the DOK long-term field experiment. Applied Soil Ecology 33:294-307

F. Widmer, M. Hartmann, B. Frey, and R. Kölliker (2006). A novel strategy to extract specific phylogenetic sequence information from community T-RFLP. Journal of Microbiological Methods 66:512-520

M. Hartmann, A. Fliessbach, H.-R. Oberholzer, and F. Widmer (2006). Ranking the magnitude of crop and farming system effects on soil microbial biomass and genetic structure of bacterial communities. FEMS Microbiology Ecology 57:378-388

M. Hartmann, and F. Widmer (2006). Community structure analyses are more sensitive to differences in soil bacterial communities than anonymous diversity indices. Applied and Environmental Microbiology 72:7804-7812

M. Hartmann, J. Enkerli, and F. Widmer (2007). Residual polymerase activity induced bias in terminal restriction fragment length polymorphism analysis. Environmental Microbiology 9:555-559

K. Schwarzenbach, J. Enkerli, and F. Widmer (2007). Objective criteria to assess representativity of soil fungal community profiles. Journal of Microbiological Methods 68:358-366

F. Widmer (2007). Assessing effects of transgenic crops on soil microbial communities. In: Green Gene Technology - Research in an Area of Social Conflict. A. Fiechter, Chr. Sautter (Editors.). Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology 107: 207-234