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Strategien von Pflanzen-Mikroorganismengemeinschaften zur Nutzung mineral-assoziierter P-Quellen
Geringe Vorräte an leicht verfügbarem Apatit sowie Bindung von anorganischen und organischen Phosphor (P)-Verbindungen an Sekundärminerale gelten als wichtige Ursachen für die zunehmende P-Limitierung von Waldökosystemen auf älteren Böden. Es existieren jedoch Hinweise, dass die Bindung an pedogene Minerale nicht irreversibel ist und Mykorrhiza-Lebensgemeinschaften zum Recycling des mineral-assoziierten P befähigt sind. Über die zugrundeliegenden Prozesse und Steuergrößen ist jedoch kaum etwas bekannt. In diesem Projekt prüfen wir daher die Hypothese, dass diese Lebensgemeinschaften insbesondere in P-limitierten Ökosystemen mineralgebundenen P nutzen. Wir vermuten, dass eine höhere P-Nutzungseffizienz aus Sekundärquellen auf eine vermehrte Investition von Photosyntheseprodukten in verwitterungsaktive Mykorrhiza und Bakterien zurückzuführen ist, wobei diese Strategie für Ektomykorrhiza und Arbuskuläre Mykorrhiza gleichermaßen realisiert wird und dabei sorbiertes Orthophosphat im Vergleich zu organischen P-Monoestern bevorzugt akquiriert wird. Diese Prozesse werden in Mesokosmenexperimenten mit Böden eines P-Gradienten unter Fagus sylvatica (Ektomykorrhiza) und Acer pseudoplatanus (Arbuskuläre Mykorrhiza) untersucht, welchen Adsorptionskomplexe aus Ferrihydrit und Orthophosphat sowie P-Monoestern hinzugefügt werden. Mittels 13CO2-Isotopenmarkierung und substanzspezifischer 13C-Analyse in Phosphorlipidfettsäuren und niedermolekularen Säuren sowie durch Enzymaktivitätsmessungen wird die Investition der Pflanzen in die mikrobiellen Gemeinschaften und Verwitterungsagenzien als Funktion der Boden P-Gehalte und der dargebotenen P-Quellen studiert. Mittels 18O-Isotopenmarkierung sorbierten Orthophosphates und NanoSIMS Applikation soll der direkte Nachweis einer Nutzung von sorbiertem P erbracht werden. In einem Feldexperiment werden die P-Adsorptionskomplexe für ein Jahr in den Böden inkubiert, um die Mesokosmenergebnisse unter natürlichen Bedingungen zu verifizieren. Neben dem mittels Röntgenfluoreszenz- bzw. Photoelektronenspektroskopie erfassten P-Verlust werden die bei der Nutzung der P-Quellen beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften mittels quantitativer Echtzeit-PCR und 454-Pyrosequenzing analysiert. Die erzielten Ergebnisse sollen Klarheit darüber schaffen, inwiefern das Recycling von P aus Bindungen mit Sekundärmineralen in Böden relevant ist und durch welche Strategien der Lebensgemeinschaften dies gesteuert wird.
Plant-microbe strategies for utilization of mineral-associated P sources
Depleted resources in easy accessible apatite as well as the sorption of inorganic and organic phosphorus (P) to secondary minerals are the main proposed aspects for P limitation of old weathered forest ecosystems. In spite of that indications exist that sorption of P is not irreversible and that life communities are capable to recycle mineral-associated P. But the underlying processes and controlling factors are still poorly known. In this project we will test the hypothesis that particularly in P-limited ecosystems plant-microbe communities can utilize mineral-bound P. We assume that a higher P use efficiency from secondary minerals, especially of sorbed orthophosphate in comparison to P monoesters, is due to an enhanced investment of photosynthates into weathering-active mycorrhiza and bacteria, with such a strategy being realized for both ectomycorrhized plants as well as for plants living in symbiosis with arbuscular fungi. Therefore, mesocosm experiments with soils varying in P supply and amended with additional P sources, i.e. ferrihydrite with adsorbed orthophosphate and P-monoesters, will be run under Fagus sylvatica (ectomycorrhiza) und Acerpseudoplatanus (arbuscular mycorrhiza). 13CO2 isotope labeling and substance-specific 13C analysis in phospholipid fatty acids and low-molecular weight organic acids as well as enzyme activity measurements will inform about the investment of plants into microbial communites as well as weathering agents as a function of soil P availability and P types present. Further, 18O-labeling of phosphate in combination with NanoSIMS application will be used to directly reveal the utilization of mineral-bound P. In a field exposure experiment, P adsorption complexes will be buried and incubated for one year to verify the mesocosms results. Phosphorus losses will be assessed by X-ray fluorescence and photoelectron spectroscopy and the involved microbial communities will be described based on quantitative real-time PCR and 454 pyrosequencing. The obtained data will clarify whether the recycling of P from secondary minerals is a relevant process and which strategies of life are realized.
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Strategien von Pflanzen-Mikroorganismengemeinschaften zur Nutzung mineral-assoziierter P-Quellen
Geringe Vorräte an leicht verfügbarem Apatit sowie Bindung von anorganischen und organischen Phosphor (P)-Verbindungen an Sekundärminerale gelten als wichtige Ursachen für die zunehmende P-Limitierung von Waldökosystemen auf älteren Böden. Es existieren jedoch Hinweise, dass die Bindung an pedogene Minerale nicht irreversibel ist und Mykorrhiza-Lebensgemeinschaften zum Recycling des mineral-assoziierten P befähigt sind. Über die zugrundeliegenden Prozesse und Steuergrößen ist jedoch kaum etwas bekannt. In diesem Projekt prüfen wir daher die Hypothese, dass diese Lebensgemeinschaften insbesondere in P-limitierten Ökosystemen mineralgebundenen P nutzen. Wir vermuten, dass eine höhere P-Nutzungseffizienz aus Sekundärquellen auf eine vermehrte Investition von Photosyntheseprodukten in verwitterungsaktive Mykorrhiza und Bakterien zurückzuführen ist, wobei diese Strategie für Ektomykorrhiza und Arbuskuläre Mykorrhiza gleichermaßen realisiert wird und dabei sorbiertes Orthophosphat im Vergleich zu organischen P-Monoestern bevorzugt akquiriert wird. Diese Prozesse werden in Mesokosmenexperimenten mit Böden eines P-Gradienten unter Fagus sylvatica (Ektomykorrhiza) und Acer pseudoplatanus (Arbuskuläre Mykorrhiza) untersucht, welchen Adsorptionskomplexe aus Ferrihydrit und Orthophosphat sowie P-Monoestern hinzugefügt werden. Mittels 13CO2-Isotopenmarkierung und substanzspezifischer 13C-Analyse in Phosphorlipidfettsäuren und niedermolekularen Säuren sowie durch Enzymaktivitätsmessungen wird die Investition der Pflanzen in die mikrobiellen Gemeinschaften und Verwitterungsagenzien als Funktion der Boden P-Gehalte und der dargebotenen P-Quellen studiert. Mittels 18O-Isotopenmarkierung sorbierten Orthophosphates und NanoSIMS Applikation soll der direkte Nachweis einer Nutzung von sorbiertem P erbracht werden. In einem Feldexperiment werden die P-Adsorptionskomplexe für ein Jahr in den Böden inkubiert, um die Mesokosmenergebnisse unter natürlichen Bedingungen zu verifizieren. Neben dem mittels Röntgenfluoreszenz- bzw. Photoelektronenspektroskopie erfassten P-Verlust werden die bei der Nutzung der P-Quellen beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften mittels quantitativer Echtzeit-PCR und 454-Pyrosequenzing analysiert. Die erzielten Ergebnisse sollen Klarheit darüber schaffen, inwiefern das Recycling von P aus Bindungen mit Sekundärmineralen in Böden relevant ist und durch welche Strategien der Lebensgemeinschaften dies gesteuert wird.