Detailansicht

The spatiotemporal dynamics of microbial activity at a local root exudation hotspot

Julia Hildegard Wiesenbauer

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Biologie

Betreuer*in

Christina Kaiser

Volltext herunterladen
Volltext in Browser öffnen

DOI

10.25365/thesis.78513

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-11664.24951.144725-0

Link zu u:search

(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Wurzelexsudate bestehen aus einer Vielfalt chemischer Verbindungen, die eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der chemischen Landschaft der Rhizosphäre und der mikrobiellen Gemeinschaften spielen. Dabei ist mikrobielle Gemeinschaft Vermittler durch den die Wurzelexsudate die Verfügbarkeit von Nährstoffen, den Abbau organischer Bodensubstanz und die Bodenstruktur beeinflussen, indem sie biochemische Prozesse verändern. Trotz der Bedeutung von Wurzelexsudaten in ökologischen Interaktionen in der Rhizosphäre sind die Mechanismen, durch die Mikroben diese Exsudate metabolisieren und dadurch die Dynamik der organischen Bodensubstanz beeinflussen, noch nicht im Detail erforscht. Diese Dissertation untersucht die komplexen Dynamiken der mikrobiellen Aktivität und der Nährstoffkreisläufe in der Rhizosphäre als Reaktion auf künstliche Wurzelexsudation, und erforscht, wie Variationen in der Zusammensetzung der Wurzelexsudate mikrobielle Prozesse in verschiedenen Bodenarten beeinflussen. Unter Einsatz fortschrittlicher Isotopenanalyse und Analysetechniken im Mikroskalabereich werden die feinskaligen räumlichen und zeitlichen Dynamiken in drei umfassenden Studien untersucht. Die erste Publikation untersucht die unmittelbaren Auswirkungen eines Pulses von 13C-markierten organischen Kohlenstoffverbindungen auf den mikrobiellen Stoffwechsel im Boden. Die Simulation der Wurzelexsudation durch ‚reverse‘ Mikrodialyse in ungestörtem Boden führte zu signifikanten Veränderungen in der mikrobiellen Atmung und der Dynamik der Bodenmetaboliten. Die Konzentration an kurzkettigen Fettsäuren stieg an, was auf einen anaeroben Stoffwechsel hindeutet, der wahrscheinlich an anoxischen mikroskopischen Stellen im Boden stattfand, die sich aufgrund des Sauerstoffmangels durch die gesteigerte mikrobielle Atmung am Exsudationsort gebildet hatten. Gleichzeitig wurde ein dreifacher Anstieg des Ammoniumgehalts sowie erhöhte Nitratwerte beobachtet, was auf eine stärkere Mineralisierung von organischem Stickstoff in der Nähe der Pflanzenwurzeln hindeutet. Das zweite Manuskript demonstriert die bevorzugte mikrobielle Aufnahme und Veratmung von organischen Säuren gegenüber Zuckern in Wiesen- und Waldböden und stellt damit konventionelle Fachmeinungen in Frage. Diese Studie verdeutlicht die nuancierten Auswirkungen der Exsudatzusammensetzung auf mikrobielle Prozesse und die Mobilisierung von Nährstoffen, was auf ein komplexes Zusammenspiel zwischen Substratverfügbarkeit und mikrobiellen Stoffwechselwegen hinweist. Das dritte Manuskript kombinierte geschickt Isotopenbildgebung mit der nanoskaligen Sekundärionen-Massenspektrometrie mit Fluoreszenzmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie, um die räumliche Verteilung der mikrobiellen Gemeinschaften und ihre Assimilation der zugesetzten 13C-markierten Substrate im mikroskaligen Bereich zu visualisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass der mikrobielle Zugang zu Substraten signifikant durch die Mikroarchitektur des Bodens und mikrobielle Merkmale beeinflusst wurde und liefern eine räumliche Ergänzung zu vorherigen zeitlichen Analysen. Zusammenfassend bieten diese Studien tiefgreifende Einblicke in die räumlichen und zeitlichen Dynamiken der durch Wurzelexsudate ausgelösten mikrobiellen Aktivität, unterstreichen die Rolle von mikroskaligen Interaktionen bei der Gestaltung der Rhizosphärenprozesse und deren Implikationen für die Nährstoffverfügbarkeit der Pflanzen. Diese Arbeit betont die Wichtigkeit der Berücksichtigung sowohl der mikrobiellen Gemeinschaft als auch der physikochemischen Bodeneigenschaften, um die ökologischen Funktionen der Rhizosphäre vollständig zu verstehen.

Abstract

(Englisch)

Root exudates comprise a diverse array of chemical compounds that play critical roles in shaping the rhizosphere's chemical landscape and microbial communities. Mediated by the microbial community, root exudates impact nutrient availability, soil organic matter decomposition, and soil structural integrity by altering biochemical processes within the soil. Despite the recognized importance of root exudates in ecological interactions within the rhizosphere, the detailed mechanisms through which microbes metabolize these exudates and subsequently affect soil organic matter dynamics remain poorly understood. This thesis addresses this gap by exploring the intricate dynamics of microbial activity and nutrient cycling in response to simulated root exudation and assessing how variation in root exudate composition influence microbial processes across different soil types. It employs advanced isotopic and microscale analytical techniques cross three comprehensive studies to investigate these fine-scale spatiotemporal dynamics. The first paper investigates the immediate effects of a pulse of 13C-labelled low-molecular-weight organic carbon compounds on soil microbial metabolism. The simulation of root exudation through reverse microdialysis in undisturbed soil caused significant changes in microbial respiration and soil metabolite dynamics. The concentration of short-chain fatty acids increased, indicative of anaerobic metabolism, likely occurring at anoxic microsites that had formed due to oxygen depletion by increased microbial respiration at the exudation site. Concurrently, a threefold increase in ammonium and elevated nitrate levels were observed, indicating enhanced mineralization of organic nitrogen near plant roots. The second paper challenges traditional views by demonstrating the preferential microbial uptake and respiration of organic acids over sugars in both meadow and forest soils. This study elucidates the nuanced impacts of exudate composition on microbial processes and nutrient mobilization, suggesting a complex interplay between substrate availability and microbial metabolic pathways. The third manuscript skilfully combined isotope imaging using nanoscale secondary ion mass spectrometry with fluorescence microscopy and scanning electron microscopy to visualize the microscale spatial distribution of microbial communities and their assimilation of the added 13C-labelled substrates. Results indicate that microbial access to substrates was significantly influenced by soil microarchitecture and microbial traits, providing a spatial complement to previous temporal analyses. Collectively, these studies provide profound insights into the spatial and temporal dynamics of microbial activity triggered by root exudates, highlighting the role of microscale interactions in shaping rhizosphere processes and their implications for plant nutrient availability. This thesis underscores the importance of considering both the microbial community and physicochemical soil properties to fully understand the ecological functions of the rhizosphere.

Autor*innen

Julia Hildegard Wiesenbauer

Haupttitel (Englisch)

The spatiotemporal dynamics of microbial activity at a local root exudation hotspot

Paralleltitel (Deutsch)

Die räumlich-zeitliche Dynamik mikrobiellen Aktivität an einem lokalen Wurzelexsudations-Hotspot

Publikationsjahr

2024

Umfangsangabe

152 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Joshua Schimel ,

Boris Marco Keiluweit

Klassifikationen

42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie ,

42 Biologie > 42.91 Terrestrische Ökologie

AC Nummer

AC17548557

Utheses ID

74256

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 437 |

Detailansicht

Abstracts

Schlagwörter