Bacterial adaptation strategies and interactions in different soil habitats

Vieira, Selma Gomes

Bacterial communities are important in soil ecosystem functioning, particularly due to their role in soil formation, plant production and biogeochemical processes. The close and complex interplay between soil biotic and abiotic properties of soil and bacteria has major implications for agriculture, environmental and human health. In order to gain further insights into bacterial functions and specific interactions which mediate bacterial community development in various niches of natural temperate grasslands, culture dependent and independent approaches were employed in the present study. For bacterial communities in the rhizosphere, an overwhelming effect of soil type on rhizosphere bacterial communities was determined, significantly surpassing the influence of plants. Plant species seem to influence bacterial communities to a limited degree through differences in composition of root exudates, selecting for distinct bacterial groups. For bacteria colonizing soil minerals de novo, mineral properties were identified as the major driver of bacterial community composition compared to the effect of different carbon sources available. Minerals provide a selective environment which counteracts the homogenising effects of dispersal, enabling the establishment of adapted bacterial communities which develop consistent temporal patterns of successional change. The lack of knowledge on bacterial functions and ecological relevance at high taxonomic resolution is only resolved with bacterial cultivation and isolation. Therefore, different cultivation approaches were applied in order to retrieve novel, relevant representatives of oligotrophic soil bacteria. Indeed, a large number of novel bacterial isolates could be retrieved, many belonging to underexplored lineages which likely harbour novel traits and functions. This study provides a deepened understanding of the drivers of bacterial community composition and function in distinct niches of soil ecosystems and thereby improves our understanding of the role of bacteria in the process of soil formation and in the association with higher organisms.

Bakterielle Gemeinschaften sind für das funktionsfähige Ökosystem des Bodens von großer Bedeutung, insbesondere durch ihre Rolle in der Bodenbildung, Pflanzenentwicklung und biogeochemischen Prozessen. Die enge und komplexe Wechselwirkung zwischen den biotischen und abiotischen Eigenschaften von Boden und Bakterien wirken sich stark auf die Landwirtschaft, Umwelt und menschliche Gesundheit aus. In dieser Studie wurden kultivierungsabhängige und –unabhängige Methoden angewendet, um ein tieferes Verständnis in bakterielle Funktionen und spezifische Interaktionen zu erlangen, welche die Entwicklung von bakteriellen Gemeinschaften in diversen Nischen in natürlichen Grünlandflächen lenken. Bakterielle Gemeinschaften in der Rhizosphäre werden demnach vor allem durch den Bodentyp beeinflusst, ein Effekt welcher signifikant stärker ist als der von Pflanzen hervorgerufene. Der Einfluss von Pflanzenspezies scheint bedingt auf die verschiedenen Zusammensetzungen von Wurzelsekreten zu beruhen, welche bestimmte bakterielle Gruppen selektieren. Für Bakterien, welche die Bodenmineralien de-novo kolonisieren, wurden mineralische Eigenschaften, im Vergleich zu verschiedenen zur Verfügung stehenden Kohlenstoffquellen, als maßgebender Einflussfaktor identifiziert. Mineralien liefern ein selektives Umfeld, welches den homogenisierenden Effekt der Streuung negiert und somit die Etablierung von adaptierten bakteriellen Gemeinschaften ermöglicht, die eindeutige temporale sukzessionsabhängige Muster entwickeln. Um das Wissen der bakteriellen Funktionen und ökologischen Relevanz mit hoher taxonomischer Auflösung zu vertiefen, müssen Bakterien kultiviert und isoliert werden. Dementsprechend wurden verschiedene Kultivierungsansätze verwendet um neue relevante Vertreter oligotropher Bodenbakterien zu erhalten. Eine große Anzahl neuer Bakterienisolate wurde identifiziert, welche tatsächlich zu unterrepräsentierten Bakteriengruppen gehören und damit das Potential für neue Funktionen und Eigenschaften besitzen. Diese Studie erweitert das Verständnis bezüglich der treibenden Einflussfaktoren der Zusammensetzung von bakteriellen Gemeinschaften und deren Funktionen in individuellen Nischen des Ökosystems des Bodens. Dadurch wird das Wissen um die Rolle der Bakterien in den Prozessen der Bodenbildung und Assoziation mit höheren Organismen vertieft.

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Vieira, Selma: Bacterial adaptation strategies and interactions in different soil habitats. 2019.

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