text size

Molecular biology and ecology of microbial decomposition of plant-derived biopolymers in forest ecosystems

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Title:
Molecular biology and ecology of microbial decomposition of plant-derived biopolymers in forest ecosystems
Title (in czech):
Molekulární biologie a ekologie rozkladu rostlinných biopolymerů v lesních ekosystémech mikroorganismy
Type:
Dissertation
Author:
Mgr. Lucia Žifčáková
Supervisor:
RNDr. Mgr. Petr Baldrian, Ph.D.
Opponents:
doc. Ing. Ondřej Uhlík, Ph.D.
Ing. Jiří Bárta, Ph.D.
Thesis Id:
128358
Faculty:
Faculty of Science (PřF)
Department:
Department of Genetics and Microbiology (31-140)
Study programm:
Microbiology (P1510)
Study branch:
-
Degree granted:
Ph.D.
Defence date:
21/03/2017
Defence result:
Pass
Language:
English
Keywords (in czech):
ecology, molecular biology, fungi, bacteria, forest ecosystems, decomposition, plant biopolymers, cellulose
Keywords:
ecology, molecular biology, fungi, bacteria, forest ecosystems, decomposition, plant biopolymers, cellulose
Abstract (in czech):
Abstrakt V této dizertační práci byly studovány schopnosti hub a bakterií degradovat jednoduché i složité uhlíkaté sloučeniny získané z různých zdrojů, jako jsou kořenové exsudáty, opad, půdní organická hmota nebo houbové mycelium. Znalost funkčních vlastností, zejména degradačních schopností hub a bakterií, je důležitá pro dešifrování černé skříňky fungování mikrobů v půdě, a tím pomáhá při modelování a předpovídání budoucích směrů vývoje mikrobiálních společenstev tváří v tvář globálním změnám. U sbírkových kmenů hub s různou taxonomií a ekofyziologií byla ekofyziologie důležitější při projevu funkčních vlastností než taxonomie. U bakteriálních izolátů z opadu a půdy smrkového lesa, bylo potvrzeno, že Acidobakterie produkují širokou škálu enzymů ve velkém množství in vitro, byly také hojně zastoupeny a také aktivní v procesech rozkladu v kyselé smrkové půdě. Exprese degradačních enzymů u bakterií i hub byly dále studovány in situ v půdě smrkového lesa, která představuje důležité životní prostředí vzhledem k širokému rozšíření jehličnatých lesů na severní polokouli. Naše znalosti, pokud jde o pochopení sezónního vlivu na mikrobiální činnost, jsou nedostatečné. To je důvod, proč byl studovaný vliv sezónnosti na transkripci všech funkčních genů u hub a bakterií. Stejné experimentální uspořádání bylo použito pro srovnání kódovaného a přepisovaného poměru enzymů podílejících se na cyklu uhlíku, jakož i na sezónnosti jejich transkripce u hub a bakterií, včetně enzymu β-glukosidázy zapojeného do posledního kroku degradace celulózy. Zaměření na sezónnost je motivováno očekáváním, že sezónní změny ve množství fotosyntátů produkovaných stromy v lese, a tím i změny v množství kořenových exsudátů mezi létem a zimou budou mít vliv na diverzní půdní společenstvo mikrobů, ale hlavně na ektomykorhizní houby (ECM). Nižší transkripční aktivita ECM a vyšší množství bakteriálních transkriptů bylo skutečně pozorováno v metatranskriptomu v zimě. Ukázalo se, že letní a zimní mikrobiální společenstva používají různé sady enzymů. A to zejména v půdě, což pravděpodobně odráží odlišné složení C sloučenin, které jsou dostupné mikroorganizmům přes rok, i když jsme nepozorovali změny ve složení nebo zastoupení u mikrobiálních společenstev. V zimě jsme pozorovali využití zásobních látek a vyšší výskyt bakteriálních transkriptů, zatímco v létě spíše využívaní komplexních zdrojů C převážně Basidiomycety, které do značné míry reprezentovali ECM houby ve studované půdě. Při zacílení na β-glukosidázu bylo demonstrováno, že i PCR amplikony z částečné genové sekvence mohou být užitečným ukazatelem diverzity i zapojení bakterií a hub v degradaci celulózy a sezónnosti transkripce tohoto enzymu. Avšak kompletní diverzita nemůže být získána amplikonovým sekvenováním, protože amplifikační primery v zásadě opomíjejí některé organismy. Celkově náš výsledek naznačuje, že jednoduché C sloučeniny mají tzv. „priming“ efekt, to znamená, že jsou nezbytné pro degradaci komplexní půdní organické hmoty houbami.
Abstract:
Abstract The abilities of fungi and bacteria to degrade simple and complex carbon compounds derived from different sources, such as root exudates, litter, soil organic matter or fungal mycelium were studied in this dissertation. Knowledge of functional traits, especially degradation abilities of fungi and bacteria, are important for deciphering the black box of microbial functioning in topsoil and thus aiding in modeling and predicting future directions of microbial communities development in face of global changes. Among fungal cultures form culture collection representing strains with different taxonomy and ecophysiology, the ecophysiology of fungi was more important in manifestation of functional traits than taxonomy. Among bacterial isolates from the litter and soil of spruce forest, Acidobacteria were confirmed to express multiple decomposition enzymes in high rates in vitro and were also abundant and active degraders in acidic spruce forest soil. The expression of degradation capacities of both bacteria and fungi were further studied in situ in spruce forest topsoil, that represents an important environment due to the ubiquity of coniferous forests on the Northern hemisphere. There is an obvious gap of knowledge, when comes to our understanding of seasonal effect on microbial functioning, and this is why the effect of seasonality on transcription of all functional genes of fungi and bacteria was also addressed. The same experimental set-up was used to compare the encoded and transcribed capacity of enzymes involved in carbon cycle as well as seasonality of their production by fungi and bacteria including β-glucosidase, the enzyme involved in the last step of complete cellulose degradation. The focus on seasonality is motivated by the expectation that the seasonal change in the amount of photosynthates produced by trees in forest and thus the changes in the amount of root exudates between summer and winter affect diverse soil microbiota but mostly ectomycorrhizal fungi (ECM). Indeed, lower transcription activity of ECM and higher abundance of bacterial transcripts in metatranscriptome was observed in winter. It was shown that summer and winter microbial communities use different enzyme sets, especially in soil, which probably reflects distinct C compounds available to microorganisms through the year, although microbes did not change their abundance or composition. In winter, the usage of storage compounds and higher abundance of bacterial transcripts was observed, while in summer, complex C sources were used mostly by Basidiomycota that largely represented ECM members in studied soil. When targeting β- glucosidase, PCR amplicons of partial gene sequence were demonstrated to be a useful proxy of diversity and the involvement of both bacteria and fungi in cellulose degradation and seasonal patterns of enzyme transcription were observed. However, the full diversity could not be obtained by amplicon sequencing since amplification primers miss some organisms. Overall, the result indicate that simple C compounds have priming effect on and are required for the fungal degradation of recalcitrant soil organic matter.
Documents
Download Document Author Type File size
Download Text of the thesis Mgr. Lucia Žifčáková 13.23 MB
Download Abstract in czech Mgr. Lucia Žifčáková 151 kB
Download Abstract in english Mgr. Lucia Žifčáková 150 kB
Download Autoreferat / doctoral thesis summary Mgr. Lucia Žifčáková 478 kB
Download Opponent's review doc. Ing. Ondřej Uhlík, Ph.D. 928 kB
Download Opponent's review Ing. Jiří Bárta, Ph.D. 302 kB
Download Defence's report 616 kB