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Einfluss von Gluconasturtiin und

2-Phenylethylisothiocyanat auf die

Rhizosphrenmikroflora beim Raps

(Brassica napus L.)

Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades

des Fachbereiches Biologie

der Universitt Hamburg

vorgelegt von Angelika Susanne Rumberger

aus Hamburg

2002

Inhaltsverzeichnis

i

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 2. Material und Methode2.1 Verwendete Sorten

2.1.1 Winterraps2.1.2 Sommerraps

2.2 Anzucht und Kultur2.2.1 Feldversuche2.2.2 Gewchshausversuche

2.3 Probennahme2.3.1 Probennahme in Feld- und Topfversuchen2.3.2 Probennahme bei Rhizotronversuchen

2.4 Trockenmassebestimmung2.5 Bodenfeuchtebestimmung2.6 PEITC-Konzentrationsbestimmung2.7 Analyse der funktionellen Diversitt

2.7.1 BIOLOG-ecoplates2.7.2 Mikrotiterplatten zur Untersuchung der PEITC-, PPN-, SCN-

Empfindlichkeit2.8 Diversittsanalysen auf DNA-Basis

2.8.1 DNA-Isolierung2.8.2 Polymerasekettenreaktion2.8.3 Denaturierende Gradienten Gelelektrophorese2.8.4 Frben und Detektieren der Banden

2.9 Darstellung der aktiven Mikroflora2.10 Statistische Auswertung

3. Experimente3.1 PEITC im Boden: Abbau und Wirkung auf Mikroorganismen

3.1.1 Abbau von PEITC im Boden3.1.2 Vernderung der Empfindlichkeit der Bodenmikroflora gegenber PEITC,

PPN und SCN- in Abhngigkeit von der Vorbehandlung3.1.3 Wirkung von PEITC auf Bodenmikroorganismen

3.2 Entwicklung der PEITC-Konzentration in der Rhizosphre und derZusammensetzung der Rhizosphrenmikroflora mit der Zeit

3.2.1 Feldversuche mit Winterraps3.2.1.1 Winterrapsfeldversuch 1999/20003.2.1.2 Winterrapsfeldversuch 2000/2001

3.2.2 Feld- und Gewchshausversuche mit Sommerraps

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Inhaltsverzeichnis

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3.2.2.1 Sommerrapsfeldversuch 20003.2.2.2 Sommerrapsfeldversuch 20013.2.2.3 Gewchshausversuch

3.3 Rumliche Unterschiede der PEITC-Konzentration und der Artenzusammensetzungder Mikroflora in der Rhizosphre3.3.1 Rhizotronversuch mit Winterraps3.3.2 Rhizotronversuch mit Sommerraps

3.4. Langfristige Auswirkung des durch PEITC vermittelten Einflusses der Rapswurzelauf die Bodenmikroflora3.4.1 Folgeversuch A

3.4.1.1 Vorkultur A3.4.1.2 Folgekultur A

3.4.2 Folgeversuch B3.4.2.1 Vorkultur B3.4.2.2 Folgekultur B

4. Ergebnisse4.1 PEITC im Boden: Abbau und Wirkung auf Mikroorganismen

4.1.1 Abbau von PEITC im Boden4.1.2 Vernderung der Empfindlichkeit der Bodenmikroflora gegenber PEITC,

PPN und SCN in Abhngigkeit von der Vorbehandlung.4.1.3 Wirkung von PEITC auf Bodenmikroorganismen4.1.4 Zusammenfassung

4.2. Entwicklung der PEITC-Konzentration in der Rhizosphre und derZusammensetzung der Rhizosphrenmikroflora mit der Zeit4.2.1 Winterraps

4.2.1.1 Feldversuch 99/004.2.1.2 Feldversuch 2000/20014.2.1.3 Zusammenfassung

4.2.2 Feldversuche mit Sommerraps4.3.2.1 Feldversuch 20004.2.2.2 Feldversuch 20014.2.2.3 Entwicklung der PEITC-Konzentration in der Rhizosphre von

Keimung bis zur Blte4.2.3 Zusammenfassung

4.3 Rumliche Unterschiede der PEITC-Konzentration und der Artenzusammensetzungder Mikroflora in der Rhizosphre4.3.1 Rhizotronversuch mit Winterraps4.3.2 Rhizotronversuch mit Sommerraps4.3.3 Zusammenfassung

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Inhaltsverzeichnis

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4.4. Langfristige Auswirkung des durch PEITC vermittelten Einflusses der Rapswurzelauf die Bodenmikroflora4.4.1 Folgeversuch A

4.4.1.1. Vorkultur A4.4.1.2 Folgekultur A4.4.1.3 Zusammenfassung

4.4.2 Folgeversuch B4.4.2.1 Vorkultur B4.4.2.2 Folgekultur B4.4.2.3 Zusammenfassende Betrachtung der Versuche 4.4.2.1 und 4.4.2.2

4.4.3 Zusammenfassung der Versuche 4.4.1 und 4.4.24.5 Zusammenfassung der Ergebnisse

5. Diskussion5.1 Einfluss von endogenen und exogenen Faktoren auf die PEITC-Abgabe bei Raps

5.1.1 Grenordnung der PEITC Abgabe5.1.2 Wirkung endogener Faktoren auf die PEITC-Abgabe5.1.3 Bedeutung exogener Faktoren fr die PEITC-Abgabe

5.2 Einfluss von PEITC und anderen Umweltfaktoren auf die Artenzusammensetzungder Rhizosphrenmikroflora5.2.1 Abbau von PEITC im Boden5.2.2 Empfindlichkeit von Bodenmikroorganismen gegenber PEITC5.2.3 Grenzen der zur Beschreibung der Bodenmikroflora eingesetzten

Methoden5.2.4 Umwelt- und entwicklungsbedingte Vernderungen der Artenzusammensetzung

der Rhizosphrenmikroflora5.3 PEITC in der Pflanzen-Mikroben-Wechselbeziehung

5.3.1 PEITC in der Wechselwirkung wurzelferner Boden Rhizosphre5.3.2 PEITC in den Wechselwirkungen der Rhizosphrenmikroorganismen

untereinander5.3.3 Wirkung von Rhizosphrenmikroorganismen auf die Pflanze unter

PEITC-Einfluss5.3.4 Schlussfolgerungen fr den Einsatz von glucosinolatreichem Raps fr den

Pflanzenschutz5.5 Zusammenfassung der Diskussion

6. Zusammenfassung7. LiteraturLebenslaufDanksagung

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Tabellenverzeichnis

iv

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: PEITC-, PPN- und SCN Endkonzentrationen [mol l-1] bei 200 lKavernenfllung auf Mikrotiterplatten zur Untersuchung der PEITC-, PPN-,SCN-Empfindlichkeit.

Tabelle 2: Sequenz, Zielorganismen und Literaturquelle der zur Darstellung der pro-und eukaryotischen Rhizosphrenmikroflora verwendeten Primer.

Tabelle 3: Zur Darstellung der pro- und eukaryotischen Rhizosphrenmikrofloraverwendete PCR-Zyklen mit Literaturquelle.

Tabelle 4: Anzahl der Parallelen pro Behandlungsvariante im Versuch 3.4.1.2.

Tabelle 5: Anzahl der Parallelen pro Behandlungsvariante im Versuch 3.4.2.2.

Tabelle 6: Entwicklungsstadium, Bodenfeuchte in [% (g/g)], Trockenmasse derPflanzen [g] und PEITC-Konzentration in der Rhizosphre bezogen auf dasBodenfrischgewicht [pmol g-1] der Sorten Emerald und Mohikan imFeldversuch 1999/2000.

Tabelle 7: Einfluss von Pflanze und Umwelt auf die Artenzusammensetzung derRhizosphrenmikroflora bei einem Feldversuch mit Emerald und Mohikanim Versuchsjahr 1999/2000.

Tabelle 8: Entwicklungsstadium, Bodenfeuchte in [% (g/g)], Trockenmasse derPflanzen [g] und PEITC-Konzentration in der Rhizosphre bezogen auf dasBodenfrischgewicht [pmol g-1] der Sorten Emerald und Mohikan imFeldversuch 2000/2001.

Tabelle 9: Einfluss von Pflanze und Umwelt auf die Artenzusammensetzung derRhizosphrenmikroflora bei einem Feldversuch mit Emerald und Mohikanim Versuchsjahr 2000/2001.

Tabelle 10: Entwicklungsstadium, Bodenfeuchte in [% (g/g)], Trockenmasse derPflanzen [g] und PEITC-Konzentration in der Rhizosphre bezogen auf dasBodenfrischgewicht [pmol g-1] von Monty und Rainbow in Feldkultur imVersuchsjahr 2000 an vier Probennahmeterminen.

Tabelle 11 Einfluss von Pflanze und Umwelt auf die Artenzusammensetzung derRhizosphrenmikroflora bei einem Feldversuch mit Monty und Rainbow imVersuchsjahr 2000.

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Tabellenverzeichnis

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Tabelle 12: Entwicklungsstadium, Bodenfeuchte in [% (g/g)], Trockenmasse derPflanzen [g] und PEITC-Konzentration in der Rhizosphre bezogen auf dasBodenfrischgewicht [pmol g-1] von Monty und Rainbow in Feldkultur imVersuchsjahr 2000 an vier Probennahmeterminen.

Tabelle 13: Einfluss von Pflanze und Umwelt auf die Artenzusammensetzung derRhizosphrenmikroflora bei einem Feldversuch mit Monty und Rainbow imVersuchsjahr 2001.

Tabelle 14: Einfluss von Pflanze und Umwelt auf die Artenzusammensetzung deraktiven und der gesamten Rhizosphrenmikroflora bei einem Rhizotronversuchmit Emerald und Mohikan im Gewchshaus.

Tabelle 15: Einfluss von Pflanze und Umwelt auf die Artenzusammensetzung deraktiven und der gesamten Rhizosphrenmikroflora bei einem Rhizotronversuchmit Monty und Rainbow im Gewchshaus.

Tabelle 16: Bodenfeuchte [% (g/g)], Sprosstrockenmasse [mg] und PEITC-Konzentration in der Rhizosphre bezogen auf das Bodenfrischgewicht[pmol g-1] der Sorten Monty und Rainbow nach 32 TagenGewchshauskultur auf Versuchsfeldboden.

Tabelle 17: Sprosstrockenmasse pro Pflanze [mg] und PEITC-Konzentration in derRhizosphre bezogen auf das Bodenfrischgewicht [pmol g-1] der SortenMonty und Rainbow nach 35 Tagen Gewchshauskultur auf Substrat, aufdem zuvor Monty oder Rainbow kultiviert wurde.

Tabelle 18: Bodenfeuchte [% (g/g)], PEITC-Konzentration in der Rhizosphre bezogenauf das Bodenfrischgewicht bezogen auf das Bodenfrischgewicht [pmol g-1],Spross- und Wurzeltrockenmasse [mg] pro Topf nach Kultur der SortenMonty und Rainbow ber 41 Tage im Kulturschrank.

Tabelle 19: Sprosstrockenmasse pro Pflanze [mg] und PEITC-Konzentration in derRhizosphre bezogen auf das Bodenfrischgewicht [pmol g-1] der SortenMonty und Rainbow nach 21 Tagen Kultur auf unterschiedlichvorbehandelten Substrat.

Tabelle 20: Einfluss von Pflanze und Umwelt auf die Artenzusammensetzung derRhizosphrenmikroflora nach 21 Tagen Kultur von Monty und Rainbow imKlimaschrank auf unterschiedlich vorbehandeltem Substrat.

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Abbildungsverzeichnis

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Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Entstehung von 2-Phenylethylisothiocyanat (PEITC) durch spontaneintramolekulare Umlagerung nach hydrolytischer Spaltung des Gluconasturtiindurch die Myrosinase.

Abbildung 2: Abnahme der PEITC-Konzentration [pmol g-1] gegen die Zeit [h] insterilem und unst