Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6971

Nachweis, Lokalisation und Quantifizierung von autotrophen Nitrifizierern im Kronenraum der Fichte (Picea abies (L.) Karst.)

Markus Teuber

Zusammenfassung

Die Gruppe der chemolithoautotrophen Nitrifizierer umfaßt Gram-negative, licht- und säure-empfindliche, obligat aerobe Bakterien, die ihren Zellkohlenstoff durch die Fixierung von Koh-lendioxid und die hierfür notwendige Energie aus der Oxidation anorganischer Stickstoffverbin-dungen, insbesondere Ammoniak und Nitrit, gewinnen. Als bisherige Lebensräume wurden die Pedo-, Hydro-, Litho- und Phyllosphäre identifiziert. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es durch den Einsatz modernster molekularbiologischer Techniken erstmalig auf genetischer Ebene, die autotrophen Nitrifizierer unmittelbar im Nadelblatt-Apoplasten von Fichten des durch hohe atmogene Stickstoffeinträge belasteten Standortes „Höglwald“ direkt nachzuweisen und zu loka-lisieren. Durch den Einsatz der hochspezifischen PCR-Technik in Verbindung mit der Sequen-zierung des genetischen Materials aus dem Kronenbereich der Fichten konnten die Nitrifizierer genetisch direkt nachgewiesen und klassifiziert werden. Die exakte Lokalisation der autotrophen Nitrifizierer unmittelbar im Fichtennadel-Apoplasten gelang, ebenfalls auf genetischer Ebene, weltweit erstmalig mit Hilfe der molekularbiologischen Fluoreszenz-in situ-Hybridisierungs-Technik in Kombination mit der Auswertung über das konfokale Laserrastermikroskop (cLSM). Anhand der Quantifizierung der autotrophen Nitrifizierer über die klassische, mikrobiologische Bestimmung der höchstwahrscheinlichen Keimzahl, der sog. „Most Probable Number“-Technik (MPN-Technik), konnten Ammoniak-Oxidierer in einer Größenordnung von 10 3-5 Zellen g-1 Nadelfrischgewicht und Nitrit-Oxidierer mit 10 3-4 Zellen g-1 Nadelfrischgewicht am Standort „Höglwald“ nachgewiesen werden. An einem durch Stickstofflimitierung gekennzeichneten Fichtenstandort bei Villingen wurden in vergleichenden Untersuchungen autotrophe Nitrifizierer zu keinem Zeitpunkt nachgewiesen, was darauf schließen läßt, daß die Besiedlung der Fichten-phyllosphäre, insbesondere des Nadelblatt-Apoplasten, durch autotrophe Nitrifizierer an die Stickstoffbelastung der Umgebung gekoppelt sein muß. Eine saisonale Veränderung der Besied-lung des Nadelblatt-Apoplasten durch Nitrifizierer am Standort „Höglwald“ konnte nicht be-obachtet werden. Um erste Hinweise über den eigentlichen Besiedlungsweg zu erhalten, wurden im Labor unter sterilen Bedingungen sowohl mit Ammoniak als auch mit Luft begaste sterile Fichtenkeimlinge mit autotrophen Nitrifizierer-Kulturen inokuliert. Eine erfolgreiche Etablierung autotropher Nitrifizierer in der Phyllosphäre der Fichtenkeimlinge gelang nicht bei einmaliger, wohl aber nach wiederholter Inokulation.


Detection, localisation and quantification of autotrophic nitrifiers within the canopy of spruce (Picea abies (L.) Karst.)

Abstract
The group of chemolithoautotrophic nitrifiers contains Gram-negative, light and acid sensitive, obligate aerobic bacteria, which use carbon dioxide-fixation for gaining cell carbon and use oxidation of inorganic nitrogen compounds, especially ammonia and nitrite, as energy sources. Hitherto identified habitats for nitrifiers were the pedo-, hydro-, litho- and phyllosphere. In this work, by application of the most advanced molecular biological methods it could be unequivocally demonstrated at the genetic level for the first time that autotrophic nitrifiers are present inside spruce needles of a spruce forest ecosystem (The “Höglwald”) which is exposed to high levels of atmospheric nitrogen deposition and that they are located within the apoplastic space of the needle leaves (sub-stomatal cavity). By application of the highly specific PCR-technique in conjunction with the sequencing of the genetic material from the canopy of spruce the nitrifiers could be directly genetically verified and classified. The exact localisation of the autotrophic nitrifiers directly within the apoplast of spruce needles at the genetic level succeeded for the first time via the combination of both, the molecular biological flourescence-in situ-hybridization-technique with the modern technique of confocal laser scanning microscopy (cLSM). Quantification of cell numbers of autotrophic nitrifiers was carried out using the „Most Propable Number“ (MPN)-technique. At the „Höglwald“ experimental site ammonia-oxidizers were founded with 10 3-5 cells g-1 needle freshweight and nitrite-oxidizers with 10 3-4 cells g-1 needle freshweight. In contrast, at a spruce forest site (near the city of Villingen), which is exposed to low levels of atmospheric nitrogen deposition, nitrifiers were never detected. It is concluded that the colonization of the needle apoplast by autotrophic nitrifiers is related to elevated levels of atmospheric N-deposition the Höglwald experimental site is exposed to. A seasonal pattern of the colonization of the needles by nitrifiers at the „Höglwald“ could not be demonstrated to exist. For gaining first insights into the pathway by which needles might be colonized by autotrophic nitrifiers, sterile spruce seedlings, fumigated with both ammonia and air, were inoculated in the laboratory with nitrifier cultures. However, a succesful establishment of the autotrophic nitrifiers in the phyllosphere of the spruce seedlings could not be achieved by a single inoculation event, however was successful after multiple inoculations.



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