Carbon translocation and methane emission in flooded rice microcosms with a manipulated root microbiome

Feuchtgebiete stellen wichtige Quellen und Senken von klimawirksamen Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) dar. Rhizodeposition von Pflanzen ist eine wichtige Kohlenstoff- und Nährstoffquelle für die im Boden lebenden Mikroorganismen und fördert den anaeroben Abbau von organischem Material durch hydrolytische, fermentative und methanogene Gemeinschaften. Bisher ist jedoch wenig über die biotischen und abiotischen Faktoren bekannt, die die Kohlenstoffumsetzung in der Rhizosphäre von Hydrophyten beeinflussen. Diese Arbeit befasst sich mit den Kohlenstoffflüssen im komplexen System Boden-Pflanze und den zugrundeliegenden biogeochemischen Prozessen um den Einfluss der mikrobiellen Vielfalt auf die Funktionen des Ökosystems zu erforschen. Das Mikrobiom der Reiswurzel wurde in gefluteten Mikrokosmen basierend auf einem Sand-Vermikulit-Gemisch durch Zugabe von sieben ausgewählten Böden aus verschiedenen Ökosystemen gezielt manipuliert. Mit Hilfe von 13C-Pulsmarkierung und molekularen Analysen wurde der Kohlenstofffluss zwischen Atmosphäre, Pflanze und Boden und die mikrobiellen Gemeinschaften in der Rhizosphäre untersucht. Die Translokation von Kohlenstoff (C) und die Emission von Methan wurden zu verschiedenen Wachstumsstadien der Reispflanze in italienischem Reisfeldboden mit reduziertem und sterilem Boden untersucht und die Bedeutung der Bodentypen auf die Biomasseproduktion und den Kohlenstoffzyklus bewertet. Die 13C-Pulsmarkierung von Reismikrokosmen ermöglichte es ausschließlich den aus der Pflanze stammenden Kohlenstoff zu markieren und dessen Dynamik im geschlossenen System zu studieren. Insgesamt verblieb unabhängig vom Bodentyp der überwiegende Teil des assimilierten Kohlenstoffs in oberirdischen Pflanzenorganen, etwa 10% wurden in die Wurzel eingebaut und weniger als 2% fanden sich im Boden wieder. Allerdings war in sterilem Boden die Verlagerung des assimilierten 13C unter die Bodenoberfläche deutlich geringer. Die Anreicherung an 13C in den verschiedenen Kohlenstoffpools wurde durch den Bodengehalt und das Wachstumsstadium der Pflanze bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass wurzelbürtiger Kohlenstoff eine bedeutende Methanquelle darstellt, welche je nach Bodentyp bis zu 7% des in fünf Tagen emittierten Methans ausmachen kann. Zudem wurde die Biomasseproduktion der Reispflanzen durch den Bodentyp beeinflusst und korrelierte mit der Methanemission aus italienischem Reisfeldboden. Die Abundanz der Archaea veränderte sich mit fortschreitendem Entwicklungsstadium der Pflanze und stand im direkten Zusammenhang mit der Methanemission aus frischen Photosyntheseprodukten. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass Wurzelausscheidungen und das zahlenmäßige Vorkommen von Mikroorganismen in der Rhizosphäre kritische Faktoren für die Methanemission insbesondere während der späten vegetativen und der reproduktiven Wachstumsphase der Pflanze sind. Die sieben Böden aus fünf verschiedenen Ökosystemen unterschieden sich nicht nur in ihren allgemeinen Bodeneigenschaften, sondern auch in ihrer archaeellen (16S rRNA) und methanogenen (mcrA) Gemeinschaft mit unterschiedlich stark ausgeprägten potentiellen Methanproduktionsraten. Multivariate Analysen zeigten, dass sich die archaeellen und methanogenen Populationsmuster in der Rhizosphäre veränderten, wenn die Böden zum Animpfen von Reismikrokosmen eingesetzt wurden. Das Mikrobiom der Wurzeln war durch eine diverse mikrobielle Gemeinschaft gekennzeichnet, wobei bestimmte archaeelle und methanogene Gruppen charakteristisch für die Rhizosphäre der Reispflanzen waren. Da diese Mikroorganismen nicht in den ursprünglichen Böden detektierbar waren, könnten sie entscheidend für die unterschiedlichen Methanemissionsraten aus wurzelbürtigem Kohlenstoff sein. Eine Kanonische Korrespondenzanalyse ergab, dass die Unterschiede in der methanogenen Rhizosphärengemeinschaft hauptsächlich auf den Kohlenstoff- und Nährstoffgehalt der verschiedenen Böden sowie die Pflanzenbiomasse zurückzuführen waren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl die Pflanze als auch der Bodentyp die Zusammensetzung des Mikrobioms der Reiswurzel und die Methanemission aus Photosyntheseprodukten steuern. Zusammenfassend zeigte die Arbeit, dass sowohl das Wachstumsstadium der Pflanze, als auch der Bodengehalt und der Bodentyp die Verteilung von frisch assimiliertem Kohlenstoff in überschwemmten Reispflanzen, die Kohlenstofftranslokation in die Rhizosphäre und die Gasemission in die Atmosphäre entscheidend prägten. Die im Boden lebenden Mikroorganismen als treibende Kraft der globalen Stoffkreisläufe beeinflussen nachhaltig den Kohlenstofffluss in Feuchtgebieten und die Produktion der klimarelevanten Spurengase CO2 und CH4