Das Bodenleben mit Hilfe von DNA-Analysen bestimmen und ein kleiner Ausflug in meine Doktorarbeit (bzw. ein Versuch drei Jahre Forschung in einen kleinen Blogartikel zu packen).
Die Vielfalt des Lebens unter unseren Füßen entdecken
Böden sind viel mehr als eine braune Masse – sie sind voller Leben. Aber wie divers ist das Leben tatsächlich im Boden? Zusammen mit meinem Team haben wir an 787 Standorten in Europa Boden-DNA analysiert, um diese Frage zu beantworten. Es ist immer noch nicht vollständig geklärt, welche Faktoren das Bodenleben ausmachen. Das liegt unter anderem daran, dass bisher nur wenige groß angelegte Studien mit denselben Methoden durchgeführt wurden. Die DNA-Analyse ist hierbei sehr nützlich, da sie uns ermöglicht, schnell viele verschiedene Organismengruppen zu bestimmen. Deshalb haben wir uns zum Ziel gesetzt, die Vielfalt des Bodenlebens in verschiedenen europäischen Ökosystemen, von Ackerland über Grasland bis hin zu Wäldern, zu verstehen. Dazu wurden 787 Proben im Rahmen des LUCAS-Programms der Europäischen Kommission entnommen. Im nächsten Schritt, haben wir durch DNA-Metabarcoding das Gen untersucht, das Informationen über Boden-Eukaryoten liefert, d.h. über Pilze, Tiere und einzellige Protisten. Diese Informationen helfen zu verstehen, wer wo lebt. Um zu verstehen warum wer wo lebt, wurden dann diese Informationen untersucht z.B. wie Bodenbeschaffenheit und Klima die Vielfalt dieser Organismen beeinflussen.
Überraschenderweise fanden wir heraus, dass Ackerland die höchste Vielfalt unter den verschiedenen Ökosystemen beherbergt. Allerdings war die Artenzusammensetzung dort im Vergleich zu anderen Ökosystemen auch am homogensten. In diesem Artikel möchte ich einige Einblicke in unsere Ergebnisse, wie Bodenbeschaffenheit und Klima diese unterirdische Welt beeinflussen, aber auch in die Auswirkungen für zukünftige Monitoring- und Schutzmaßnahmen der Bodenbiodiversität geben. Die Fotos zeigen eine kleine Auswahl der untersuchten Standorte.
Die Proben wurden von Eurostat entnommen und dann zur Analyse an verschiedene kontraktierte Labore geschickt. Viele Proben (siehe Fotos unten) lieferten eine Menge Daten. Im nächsten Schritt war die Bioinformatik gefragt, um DNA Sequenzen „zu lesen“ und in Organismen zu übersetzen. Auch für diesen Teil der Analyse gab es externe Hilfe, sodass ich mich in der etwas sehr begrenzten Zeit in meiner Promotion nur auf die Auswertung der Ergebnisse konzentrieren konnte. Dennoch musste ich lernen, wie man für die Analyse programmiert, um die großen Datenmengen am besten handhaben zu können. Nach unzähligen Fehlermeldungen in „R“ und etwas Hilfe von meinen lieben Kollegen in Italien, hat es geklappt und es gab einige Ergebnisse 🙂
Zum Beispiel fanden wir 97 verschiedene Gruppen (Phyla) von Eukaryoten, die zu drei Hauptkategorien gehören: Protisten (57%), Pilze (33%) und Tiere (10%). Unter den Tieren waren 52% Nematoden, 33% Arthropoden, 11% Rädertierchen, 3% Bärtierchen und 0,8% Anneliden (z.B. Regenwürmer und Gliederwürmer).
Die Ergebnisse zeigten, dass das Ökosystem der wichtigste Faktor für die Vielfalt der bodenbewohnenden Tiere, Pilze und Protisten ist. Bodenbeschaffenheiten haben einen größeren Einfluss als klimatische Bedingungen, obwohl auch langfristige Klima- und Landnutzungsvariablen eine bedeutende Rolle spielen. Insbesondere beeinflusst der pH-Wert des Bodens die Vielfalt von Pilzen, Rädertierchen und Anneliden, während pflanzenverfügbares Phosphor die Vielfalt von Protisten, Bärtierchen und Nematoden beeinflusst.
Überraschenderweise hatten Ackerflächen die höchste Vielfalt an Pilzen, Protisten, Nematoden, Arthropoden und Anneliden unter den betrachteten Ökosystemen. Diese Standorte wiesen jedoch auch eine homogenere Artenzusammensetzung auf verglichen mit anderen Ökosystemen. Diese Unterschiede beziehen sich auf die Beta-Diversität, die Vielfalt zwischen verschiedenen Standorten.
Außerdem fanden wir heraus, dass sich die Taxa zwischen Ackerland, Grasland und Wäldern oft überlappen. In Ackerland fanden wir die spezialisierten Taxa vieler Gruppen mit der höchsten Taxa-Überlappung mit den anderen Ökosystemen.
Dies brachte mich zu der Frage, woher diese höhere Vielfalt in Ackerflächen stammen könnte. Interessanterweise fanden wir auch heraus, dass historische Variablen (wie z.B. langfristige Klimavariablen) die Vielfalt in diesen Feldern besser darstellen. Als ich zur GSBI-Konferenz in Dublin und zur Global Soil Science-Konferenz in Glasgow im Jahr zuvor ging, hörte ich Präsentationen über Nekromasse und die Akkumulation von DNA im Boden. Zusammen mit einigen zuvor veröffentlichten Artikeln zu diesem Thema erkannten wir, dass die hohe Vielfalt in Ackerflächen auf frühere Landnutzungen zurückzuführen sein könnte, wobei DNA von ruhenden oder toten Organismen (Nekromasse) zur beobachteten Vielfalt beiträgt, was die Biodiversitätsbewertungen verfälschen kann. Dies ist ein wichtiger Aspekt, der in zukünftigen Forschungen berücksichtigt werden sollte, da es einige Methoden gibt, die das Filtern von toter Biomasse verhindern (z.B. durch das Waschen von extrazellulärer DNA).
Unsere Studie zeigte Faktoren auf, die in zukünftigen Überwachungs- und Schutzmaßnahmen berücksichtigt werden sollten. Zum Beispiel, abgesehen von den potenziellen Problemen mit der Akkumulation von toter DNA im Boden, war das Volumen der Bodenproben zu klein, um die Vielfalt größerer Bodenorganismen wie Arthropoden und Regenwürmer zu erfassen.
Einige andere Kollegen arbeiteten an anderen Genen für Bakterien (16S-Gen) und Pilze (ITS-Gen), die an denselben Standorten entnommen wurden, was uns half, ein besseres Verständnis der gesamten Bodenbiodiversität zu erlangen. Unsere Ergebnisse sind nur einige von vielen Folgenden in den kommenden Jahren da mehr Mittel für die Bewertung der Bodenbiodiversität bereitgestellt wurden, was das zunehmende Bewusstsein für die Bedeutung der Biodiversität unserer Böden widerspiegelt. Was wir als nächsten Schritt benötigen, ist, dieses Wissen in Biodiversitätsindikatoren für verschiedene Ökosysteme und Klimazonen zu übersetzen. Derzeit sind keine Zielwerte in europäischen Boden- oder Landwirtschaftsgesetzen enthalten, was es erschwert, Veränderungen der Bodenbiodiversität zu überwachen und darauf zu reagieren. Zu verstehen, wie divers unsere Böden sind, ermöglicht es im nächsten Schritt, Abweichungen zu erkennen und so alarmierende Veränderungen zu entdecken und entsprechend zu reagieren.
