Dissertationen zum Thema „15N Labeling“

The gut microbiome and its metabolic processes are dynamic systems. Surprisingly, our understanding of gut microbiome dynamics is limited. Here we report a metaproteomic workflow that involves protein stable isotope probing (protein-SIP) and identification/quantification of partially labeled peptides. We also developed a package, which we call MetaProfiler, that corrects for false identifications and performs phylogenetic and time series analysis for the study of microbiome dynamics. From the stool sample of five mice that were fed with 15-N hydrolysate from Ralstonia eutropha, we identified 15,297 non-redundant unlabeled peptides of which 10,839 of their heavy counterparts were quantified. These peptides revealed incorporation profiles over time that were different between and within taxa, as well as between and within clusters of orthologous groups (COGs). Our study helps unravel the complex dynamics of protein synthesis and bacterial dynamics in the mouse gut microbiome.

The world’s population is predicted to reach 9.5 billion by 2050. This will put increasing pressure on already stretched food supplies. Previously, food supply has been increased by the use of synthetic fertilisers, particularly the use of nitrogen (N). However, fertilisers provide an unsustainable source of N, due to high energy demands for production as well as over-application and inadequate matching of fertiliser application to crop demand (synchrony). One solution to this global problem is the use of legumes, such as white clover (Trifolium repens L.), which are capable of fixing atmospheric N2, N can then be supplied to an associated non-legume crop. To date, legume and non-legume cropping systems have seen little application due to a lack of understanding of the unique N-transfer pathway. Three major belowground pathways have been identified: plant exudation, legume decomposition and mycorrhizae associations. A better understanding of the different N-transfer pathways is needed to maximise the benefits of the association and to develop appropriate land-use management strategies, this is addressed by this research. The research has focused on developing and validating a method for introducing a 15N-label to white clover and following the N-transfer through the plant and soil systems into associated perennial ryegrass (Lolium perenne L.). The method developed comprised a split-root labelling technique, enabling CO(15NH2)2 to be injected into a sand-filled labelling compartment. This allowed substantial 15N enrichment to be achieved, facilitating the investigation of the routing and controls on N-transfer within an agricultural soil. Laboratory experiments revealed that under normal conditions N-transfer from clover to ryegrass, as a proportion of non-legume N derived from the transfer of legume root N (NdftR), provided on average 2.67% of N. However, similar amounts of N were transferred in the reverse direction (1.98%), showing evidence for bi-directional flow. Incorporation of clover shoots into ryegrass soil, significantly increased NdftR (9.34%), whilst, clover exudates are likely to represent about one-third of total N-transfer. Perturbing N-transfer through modifications to the soil biota was shown to increase N-transfer (sterilised soil > weevil addition > fungi addition), although not significantly. Application of compound-specific amino acid (AA) techniques enabled the investigation of whether different N-transfer pathways influenced the distribution of 15N-label within the pool of soil AAs, thereby assessing microbial N assimilation and routing of N. Overall, there was a very low percentage incorporation of the applied 15N-label into individual AAs, although the percentage depended on the individual experiment, with total incorporation into the soil protein pool ranging from 0.1 to 2.4%. The majority of experiments revealed preferential routing into glutamic acid due to its central role within AA biosynthesis, which was seen to be similar to those AAs with the closest biochemical proximity. A key achievement from this research was the development of a robust repeatable method which allows easy manipulation and the investigation of a range of different treatments on N-transfer from clover-to-ryegrass. New insights into the effect of plant stress through 15N leaf-labelling or clover shoot removal were observed, resulting in significant reductions in the concentrations of soil hydrolysable AAs, questioning the use of the commonly used leaf-labelling technique and the effects of defoliation on N cycling and ecosystem functioning. The results generated from studying different N-transfer pathways revealed the importance of decomposition in N-transfer, revealing the rapid decomposition and N release of clover shoot material. This finding is extremely useful in developing land-use management strategies, where incorporation of clover shoot residues into soil can provide sustainable amounts of N in the short-term, which can improve the synchrony between clover and ryegrass, potentially increasing productivity and sustainability.

Das Biopolymer-produzierende Knallgasbakterium Ralstonia eutropha H16 gilt mit seinem außergewöhnlichen Stoffwechsel als vielversprechender Produktionsstamm für die weiße Biotechnologie. Es wächst auf einer Vielzahl organischer Substrate sowie chemolithoautotroph mit H2 und CO2 als einzige Energie- bzw. Kohlenstoffquelle. Unter anaeroben Bedingungen ist es zudem zur Denitrifikation befähigt. In dieser Arbeit wurde das Proteinprofil von R. eutropha unter chemolithoautotrophen sowie anaeroben Bedingungen mittels GeLC-MS/MS untersucht. Beide Proteomstudien offenbarten, dass die Nutzung unterschiedlicher Elektronendonoren bzw. -akzeptoren mit zahlreichen Veränderungen im Proteinbestand der Zellen einherging. Hierbei waren neben Proteinen metabolischer und Transportprozesse auch jene der Zellbewegung betroffen. Die Ergebnisse stellen im Vergleich zu vorangegangenen Studien den bisher umfassendsten Überblick zum Proteinbestand beim H2-basierten sowie anaeroben Wachstum in R. eutropha dar. Von besonderer Bedeutung war dabei das Einbinden der Analyse der Membran als Ort wichtiger Energie- und Transportprozesse. Besonderes Interesse galt einem unter H2/CO2-Bedingungen abundanten Zweikomponentensystem. Sequenzvergleiche zeigten Ähnlichkeit zum Regulationssystem der Katabolitrepression des Biphenylabbaus in Acidovorax sp. KKS102. Die Deletion des Response-Regulator-Gens führte zu vielfältigen Wachstumseffekten auf Substraten wie Fructose, Glycerin sowie auf H2/CO2. Der pleiotrope Phänotyp sowie die Ergebnisse von Genexpressionsstudien und der Suche nach Regulator-Bindestellen lassen eine globale Rolle des Systems im Energie- und/oder Kohlenstoffmetabolismus von R. eutropha H16 annehmen. Histidin-Kinase und Response Regulator wurden in GloS bzw. GloR umbenannt. Die vorliegende Arbeit zeigt eindrucksvoll das Potential der Proteomik als Teil der funktionellen Genomik für den Anstoß neuer Forschungsansätze zur Evaluierung des biotechnologischen Potentials von Mikroorganismen.
Due to its remarkable metabolism the bioplastic-producing “Knallgas” bacterium Ralstonia eutropha H16 is ranked as a promising production strain for white biotechnology. It grows on a wide range of organic substrates as well as lithoautotrophically on H2 and CO2 as sole energy and carbon source, respectively. Under anaerobic conditions it thrives by denitrification. This thesis focused on characterizing the protein profiles of lithoautotrophically and anaerobically grown R. eutropha cells. Proteome analyses revealed an extensive protein repertoire adapting the organism to alternative electron donors and acceptors, respectively. Changes concerned proteins involved in metabolic and transport processes as well as in cell movement. Compared to previous studies the results reported here offer the most comprehensive proteomic survey regarding the H2-based as well as anaerobic lifestyle of R. eutropha so far. In this context analyzing the cell membrane as a place for a number of energy, transport and signal transduction processes was of particular importance. Special interest aroused the identification of a two-component system upregulated on H2/CO2. Sequence analysis offered high similarity to the regulatory system for catabolite control of biphenyl degradation in Acidovorax sp. KKS102. Deletion of the response regulator gene led to versatile growth effects on substrates such as fructose and glycerol as well as H2/CO2. This pleiotrophic phenotype as well as the results of gene expression studies and the search for regulator binding sites suggests that the two-component system is a global player in energy and/or carbon metabolism in R. eutropha and possibly other bacteria. Thus, histidine kinase and response regulator have been renamed GloS/R. Since their characterization was initiated by proteomic data this study impressively elucidates the power of functional genomics in terms of revealing new research approaches to evaluate the biotechnological use of microbes.

La fixation symbiotique d’N par les légumineuses est très sensible aux ravageurs, provoquant des dommages sur les racines nodulées, avec un impact sur la fixation d’N et la croissance qui demeure mal connu. Nous avons alors analysé la réponse adaptative de la fixation symbiotique et de la croissance du pois Frisson sauvage et 3 de ses mutants hypernodulants P64, P118 et P121, respectivement mutés sur les gènes SYM28, SYM29 et NOD3, à une ablation de la moitié du système racinaire, en fin de phase végétative. La réponse adaptative a été mesurée 8 jours après ablation, dans des conditions d'alimentation en carbone par la photosynthèse variées. A 380 ppm, le mutant P118 a montré la plus faible diminution de l’activité spécifique de fixation (-17%) suite à l’ablation comparé au sauvage et aux 2 autres mutants (-36% à -62%) associé à une accélération chez les mutants P118 et P121 et un maintien (sauvage et P64) de la croissance des nodosités. A 150 ppm, suite à l’ablation, l’activité spécifique de fixation symbiotique par les nodosités a été diminuée (sauvage), maintenue (P64 et P118) ou augmentée (P121), associée à une accélération (sauvage et P121) ou un maintien (P64 et P118) de la croissance des nodosités. A 750 ppm, l’activité spécifique de fixation a diminué suite à l’ablation pour tous les génotypes, associée à un ralentissement (P64), un maintien (P118, sauvage) ou une faible accélération (P121) de la croissance des nodosités. Les résultats montrent une plus grande capacité de la fixation symbiotique des mutants hypernodulants (P118 et P121 essentiellement) à résister au stress provoqué par l’ablation
Symbiotic N fixation of legumes is very sensitive to environmental stresses, like pea pests damaging nodulated roots. However, the impact on their N uptake capacity and plant growth has not been studied so far.We analyzed the adaptive response symbiotic N2 fixation and plant growth of pea wild type Frisson and hypernodulating mutants P64, P118 and P121 mutated respectively on genes SYM28, SYM29 and NOD3 to root pruning of half the root system at the end of the vegetative stage. The adaptive responses of pea: cv. Frisson and 3 of its hypernodulating mutants were compared under varying carbon supplies from photosynthesis.At 380 ppm, mutant P118 showed the lowest decrease of the specific activity of N fixation (-17%) following root pruning compared to the wild type and the 2 others mutants (-36% to -62%), associated to an acceleration (P118 and P121) and a maintained (wild type and P64) nodule growth. At 150 ppm, following root pruning, specific activity of N fixation of nodules decreased in wild type, was maintained in P64 and P118 and increased in P121. At 750 ppm, specific activity of N fixation of nodules decreased for all genotypes following root pruning, associated to a maintained nodule growth in wild type and P118, a slower growth in P64 and acceleration in P121.Our results showed a greater capacity of hypernodulating mutants P118 and P121 to withstand the stress induced by root pruning of half the root system

A novel non-invasive imaging method of unique k-space trajectory named “3D center-out EPI with cylindrical encoding” was developed and implemented for fast imaging of the human brain. The method based on a variant of 3D hybrid EPI combines advantages of the Cartesian and the radial encoding to achieve ultra-short echo time independent of spatial resolution and reasonably short echo train length yielding a quality image of high signal-to-noise ratio. Unlike rectilinear sampling, the method offers not only less motion and flow artifacts but enables also the undersampling capability. As a result, the method improves temporal resolution by shortening the measurement time. Nonetheless, artifacts induced from long-term drifts of the magnetic field as well as geometrical distortions caused by B0 inhomogeneity were removed with the average phase of the k-space center lines and an additional field map scan. Compared to other cylindrical k-space trajectories based on echo-planar imaging, which lead to progressively increasing echo time upon increasing the spatial resolution, the proposed method offers more benefits. As a significant application, imaging readout of the novel technique was applied to true 3D cine imaging which was later used in the combination of pseudo-continuous arterial spin labeling module in order to track a short arterial spin labeling (ASL) bolus of well-defined length along the fast passage through the large vessel compartment of the brain. Parametric maps of ASL signal change, estimated time-to-peak and ASL bolus width were extracted in order to characterize the macrovascular compartments of the brain-feeding arteries. Consequently, bolus dispersion within a single arterial branch was also assessed.

The sensitivity of biological studies performed between 190 and 650 nm is greatly reduced due to the autofluorescence of biomolecules and impurities in this region. Therefore, the enhanced signal-to-noise ratios encountered at longer wavelengths makes biological analysis within the near infrared (NIR) region from 650 nm to 1100 nm far more advantageous. This dissertation describes the noncovalent binding interactions of near-infrared (NIR) carbocyanine dyes with human serum albumin (HSA) and poly-L-lysine (PLL) using UV-Vis/NIR absorption spectroscopy, emission spectroscopy, circular dichroism (CD), and fluorescence detected circular dichroism (FDCD). The optical spectroscopy methods used in this work are described in detail in Chapter 1. The various applications of NIR dyes in protein analysis are introduced in Chapter 2. In general, the sensitivity of cyanines to the polarity of their local environment makes them quite suitable for protein labeling schemes. In aqueous media, cyanines have a high propensity for self-association. Yet in the hydrophobic binding sites of globular proteins, these aggregates often dissipate. Absorption and emission spectroscopy can be utilized to observe the differential spectral properties of monomer, intra-molecular and intermolecular aggregates. In Chapter 3, the photophysical properties of bis(cyanine) NIR dyes containing di-, tri-, and tetraethylene glycol linkers were each examined in the presence of HSA are discussed. Variations in chain length as well as probe flexibility were demonstrated through distinct differences in absorption and emission spectra. The observed changes in the spectral properties of the NIR dyes in the presence and absence of HSA were correlated to the physical parameters of the probes' local environment (i.e., protein binding sites and self-association). All three bis-cyanines examined exhibited enhanced fluorescence in the presence of HSA. The bis-cyanine dye containing the tri(ethylene glycol) spacer allowed for a complete overlap of the benzene rings, to form π-π interactions which were observed as intra-molecular H-aggregate bands. The dye exhibited no fluorescence in buffer, owing to the H-aggregation observed in the absorption data. In the presence of HSA, the intra-molecular dimers were disrupted and fluorescence was then detected. The "cut-on" fluorescence displayed by the dye in the presence of HSA made it ideal for noncovalent labeling applications. The utility of several NIR dyes for use as secondary structural probes was investigated in Chapter 4. NIR dyes were screened thoroughly using UV-Vis/NIR absorption spectroscopy dyes with spectral properties which were sensitive to protein secondary structure models of such as PLL in basic solution. Two NIR dyes were found to be quite sensitive to the structural features of uncharged α- and β-PLL. The chiral discrimination of these probes for basic protein secondary structures was also evaluated through CD measurements within the NIR probes' absorption bands.

Gegenstand dieser Arbeit sind Versuche zur Synthese neuer binärer Kohlenstoffnitride im Allgemeinen und von C3N4-Vorläuferverbindungen im Speziellen. Hierbei werden v. a. die Herstellung und die Eigenschaften organischer Polyazide beschrieben, die aufgrund ihrer Gefährlichkeit durch zahlreiche Folgereaktionen in weniger brisante Moleküle überführt werden mussten. Als Derivatisierungsreaktionen kamen hierbei beispielsweise die 1,3-dipolare Cycloaddition mit Norbornen und Cyclooctin, die STAUDINGER-Reaktion mit verschiedenen Phosphinen sowie die Aza-WITTIG-Reaktion zum Einsatz. Es konnten dabei u. a. zehn Röntgeneinkristallstrukturen erhalten und als Strukturbeweis aufgeführt werden. Zahlreiche hochaufgelöste Massenspektren sowie Elementaranalysen und NMR-Daten bestätigten außerdem alle neu erhaltenen Strukturen. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit stellen Versuche zur Synthese von monomerem C3N4 dar, dessen Herstellung zwar nicht gelang, für dessen Bildung allerdings neue Möglichkeiten ausgehend von verschiedenen Edukten beschrieben werden. Darüber hinaus wurden bereits bekannte Moleküle auf ihre Eignung als C3N4-Vorläufer untersucht, wobei z. B. durch Azid-Addition an Nitrilgruppen unerwartete neue Produkte erhalten werden konnten.

4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazoles are postulated to be key intermediates in the synthesis of ketones from alkenes on an industrial scale, alkylation of DNA in vivo, decomposition of N-nitrosoureas (potent carcinogens), and are also a subject of great interest for theoretical chemists. In this thesis, formation of the parent compound and decay into secondary products has been studied by NMR monitoring analysis. The elusive properties and the intermediacy of the parent compound, 4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazole, in the decomposition of suitably substituted N-nitrosoureas using Tl(I) alkoxides as bases, have been confirmed by the characterisation of its decay products viz., ethylene oxide, acetaldehyde, and especially diazomethane, at very low temperatures by 1H NMR, 13C NMR, 15N NMR, and relevant 2D NMR methods. Moreover, it has been shown that the methylation of nucleophilic molecules by 3-methyl-4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazolium salts, which are considered to be activated forms of β−hydroxyalkylnitrosamines, does not involve 4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazole as an intermediate, as has been reported in literature; instead, nucleophilic substitution leading to synthesis of open-chain products dominates the reaction
4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazole wurden als Schlüsselintermediate in der industriellen Synthese von Ketonen aus Alkenen, der in vivo Alkylierung von DNA und der Zersetzung von N-Nitrosoharnstoffen (potente Karzinogene) postuliert. Sie sind ebenso von großem Interesse in der theoretischen Chemie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Bildung der Stammverbindung und deren Zersetzung in sekundäre Produkte mittels NMR-Verfolgung studiert. Die ausgesprochene Kurzlebigkeit der Stammverbindung 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazol wurde durch die Charakterisierung der Produkte bei der Zersetzung geeignet substituierter N-Nitrosoharnstoffe mit Tl(I)-Alkoxiden bestätigt. Die Zersetzungsprodukte Ethylenoxid, Acetaldehyd und besonders Diazomethan wurden bei sehr niedrigen Temperaturen mittels 1H-NMR, 13C-NMR, 15N-NMR und relevanten 2D-NMR-Methoden charakterisiert. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Methylierung nucleophiler Spezies mit 3-Methyl-4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazoliumsalzen, welchen als aktivierte Äquivalente der β−Hydroxyalkylnitrosamine verstanden werden, nicht zur Bildung von 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazol als Intermediat führt, so wie dies in der Literatur berichtet wurde. Stattdessen wird die Bildung offenkettiger Produkte durch nukleophile Substitution bevorzugt

Trois axes de recherches ont ete etudies: mobilisation - renouvellement des reserves azotees (turn-over de l'azote organique des racines et des chaumes, proteolyse), nutrition azotee et role osmotique du nitrate

碩士
國立中正大學
分子生物研究所
99
Abstract Apolipoprotein E (ApoE) is a plasma apolipoprotein of 299-amino acid (34kDa) that is mainly synthesized in liver. ApoE plays an important role in lipoprotein transport and cholesterol clearance. ApoE also produced and secreted by the brain is implicated in neuronal regeneration. Previous study has shown that ApoE contains two structural domains, a 22 kDa NH2-terminal (residues 1-191) and a 10 kDa COOH-terminal domains (residues 216-299). These two domains are separated by a flexible hinge region. The NH2-terminal domain containing the lipoprotein receptor binding region consists of a four-helix bundle with antiparallel arrangement. The COOH-terminal domain contains the lipoprotein (lipid) binding site. The structure of the COOH-terminal domain remains unknown, but is predicted to be highly amphipathic α-helices. Three major common isoforms of ApoE in human, ApoE2, ApoE3, and ApoE4, have been identified. Recent studies have revealed that ApoE interacts with senile plaques in the brains of the patients with Alzheimer disease. ApoE4 is a major risk factor for Alzheimer’s disease and atherosclerosis. ApoE has been shown that the domain interaction influences its biochemical and metabolic properties. Up to now, the three-dimensional structures of N-terminal domain of ApoE isoforms have been solved by X-ray crystallography and NMR spectroscopy, but the structural properties of intact ApoE isoforms are largely unknown. In this study, we focused on the structural characterization of the COOH-terminal domain of ApoE and I prepared the ApoE(222-271) and (222-299) for structural analysis by NMR.

Diverse Studien deuten darauf hin, daß das wichtigste Instrumentarium für die Wirkung der Artenvielfalt auf die Funktionen eines Ökosystems die Nischen-Komplementarität ist, aber auch daß es sehr schwierig ist diese wechselseitige Ergänzung und ihre wesentlichen Mechanismen zwischen den Pflanzenarten zu verstehen. Der Grundgedanke der Nischendifferenzierung ist, daß individuelle Arten mit sich ergänzenden Nischen die in einem Ökosystem vorhandenen Ressourcen besser nutzen, um eine höhere primäre Produktivität zu erreichen als in Monokulturen. Darum haben wir uns auf die Unterschiede in der ober- und unterirdischen Verteilung von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) zwischen Buche und Esche als ein Mechanismus der Nischendifferenzierung in Wäldern konzentriert. Die artenspezifische Rhizodeposition und der Stickstoffernährungszustand und die damit verbundene mikrobielle Aktivität spielen genauso wie die beteiligte Bodenfauna eine erhebliche Rolle im C und N Kreislauf des Baum-Boden Systems. Das Interesse der Forschungsvorhaben in den letzten Jahrzehnten bezog sich auf Laubwälder als wichtige Speicher für atmosphärisches CO2 und Baumarten die in der Lage sind diese Funktion zu verbessern. Derzeit haben wir umfassendere Kenntnisse über die Bedeutung von Streu von einzelnen Baumarten auf die Kohlenstoff- und Nährstoffdynamik im Laubwald als über wurzelbezogene Effekte. Wurzelbürtiger C und N werden in den Boden als Exsudate, Verlust durch Auslaufen oder zerfallendes Wurzelmaterial abgegeben. Hier regen sie einerseits mikrobielles Wachstum und Aktivität in der Rhizosphäre an und kontrollieren andererseits den C und N Umsatz in der Nahrungskette im Boden. Dennoch fehlt uns das Verständnis wie sich spezielle Arten auf die Menge des pflanzenbürtigen C und N auswirken und somit die Aktivität von Bodenorganismen in Laubwäldern der gemäßigten Zone beeinflussen. Aus diesem Grund erforscht diese Dissertation die Effekte von Buche und Esche auf den C und N Kreislauf und seine Dynamik im Baum und weiterhin den Zusammenhang zwischen Nährstoffen und Mikroben, mit Fokus auf Mycorrhiza und Bodenfauna. Die stabile Isotopenanalyse wurde vermehrt eingesetzt um C und N Nährstoffkreisläufe und ihre Struktur, Mengen und die zugrunde liegenden Mechanismen zu untersuchen, und sogar um Prozesse in natürlichen Ökosystemen im Fließgleichgewicht verfolgen zu können. Trotzdem ist diese Methode bisher noch nicht angewandt worden um die artspezifische C und N Dynamik in Laubwäldern in allen wesentlichen Kompartimenten ober- und unterirdisch zu beschreiben. Deshalb koordinierte ich ein Pulse Markierungsexperiment im National Park Hainich, bei dem 13CO2 und Ca(15NO3)2 auf das Laubdach von Buche und Esche aufgebracht wurde, um die C und N Verteilung von oben bis in den Boden genauer untersuchen zu können. Die Aufnahme und Verteilung von C und N in den verschieden Baumkompartimenten und der wurzelbürtige C und N in der Nahrungskette im Boden wurden 60 Tage lang untersucht. Buche assimilierte zweimal so viel 13CO2 wie Esche (20 bzw. 9%) und transportierte das aufgenommene C und N schneller in den Boden als Esche. Die von den Blättern aufgenommene Menge 15N (45%) war ähnlich in beiden Baumarten. Esche jedoch akkumuliert bevorzugt 15N und 13C in der Wurzel während Buche gibt mehr von dem anfangs assimilierten 13C und aufgenommenen 15N via Rhizodeposition an den Boden abgibt, welcher dann anschließend in der mikrobiellen Biomasse wieder gefunden werden konnte. Deshalb wurde auch mehr wurzelbürtiger N in die Bodenfauna unter Buche eingebaut als unter Esche, somit ist der Eintrag von Wurzelstickstoff in die Bodenfauna baumartspezifisch. Aufgrund der Tatsache, daß pflanzenbürtiger C und N in den Mesofauna Zersetzern wiedergefunden werden konnte, ist nicht nur bewiesen worden, daß ein C Transport von den Pilzen und der mikrobiellen Biomasse zu der nächst höheren trophischen Ebene stattfindet, sondern auch, daß die artspezifische Wurzel N Deposition einen Einfluss auf das Nahrungsnetz im Boden hat. Zusätzlich wurde die Tracer Wiederfindung im Boden und in der mikrobiellen Biomasse dreidimensional (vertikal und horizontal) bestimmt; diese zeigte horizontal eine homogene Verteilung bis zu 55 cm vom Stamm aber vertikal eine artspezifische Verteilung. Die Verteilung von13C und 15N war mit zunehmender Bodentiefe (0 - 30 cm) unter Buche abnehmend, doch Esche gab mehr 13C in die Tiefe von 10-20 cm in den Boden ab. Diese Ergebnisse reflektieren die Unterschiede in der Wurzelmorphologie von Buche und Esche und zeigten nochmals den Baumarteneffekt auf den C und N Kreislauf im Boden. Neben dem hauptsächlichen Feldversuch wurde ein Laborversuch durchgeführt. Dieses Experiment adressierte besonders den Baumarteneffekt auf die dazugehörigen mikrobiellen Gruppen, welche mit der 13CO2 Isotopenmarkierungsmethode an 1m hohen Buchen und Eschen identifiziert wurden. Die 13C Aufnahme in die Phospholipid Fettsäuen (PLFA) reflektierte, daß die Verwendung der Rhizodeposite von einzelnen mikrobiellen Gruppen stark von der Baumart beeinflusst wurde, obwohl die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft sich zwischen den untersuchten Baumarten nicht unterschied. Saprotrophe- und Ektomycorrhiza - Pilze von Buche und Esche – aber auch Arbuskuläre Mycorrhiza Pilze und gramnegative Bakterien unter der Esche – zeigten den Hauptteil des in den PLFA wieder gefundenen 13C. Von der pilzlichen PLFA C wurden innerhalb von fünf Tagen 30% durch das 13C aus der Rhizodeposition der Buche ersetzt und 10% aus der Rhizodeposition der Esche, freie assoziierte Bakterien hingegen tauschten nur max. 3% ihrer Membranfette aus. Das deutet darauf hin, dass die direkte Verteilung von C via Mycorrhiza-Symbiose sowohl die unterirdische Verteilung des C in Laubwäldern als auch die C Versorgung von Pilzen dominiert. Weiterhin hat sich die PLFA als eine geeignete Methode erwiesen, um Unterschiede im Kohlenstoffkreislauf von den Bäumen in die verschiedenen Mycorrhizaarten feststellen zu können. Die festgestellten Unterschiede in der 13C Aufnahme und Umsetzung von der ganzen Myco-Rhizosphäre beweisen auch, dass der Kohlenstoffkreislauf im Boden erheblich von der artspezifischen Rhizodeposition und den Verbindungen der Wurzel mit anderen Organismen abhängt. Beim Rezensieren der Rolle von Mycorrhiza in verschieden natürlichen Ökosystemen und der Mycorrhizaarten kam zum Vorschein, dass vermutlich die hohe C Verteilung zu den Pilzpartnern hauptsächlich durch den Phosphorkreislauf gesteuert wird, z.B. als Austausch von C gegen P (Phosphor). Demnach ist der Einfluss der Mycorrhizierung auf den Phosphorkreislauf ein Thema, welches weltweite Relevanz hat und nach mehr Aufmerksamkeit in der zukünftigen Forschung verlangt. Ich habe zwei 15N Pulsmarkierungsexperimente am Blatt durchgeführt um 15N in den unterirdischen Prozessen nach der Rhizodeposition verfolgen zu können. Dadurch konnte man diese Markierungsmethoden für die Produktion von hoch angereicherter Streu für weitere Zersetzungsstudien evaluieren. 15NH4Cl hatte eine höhere Aufnahme und eine homogenere Verteilung zwischen den Baum Kompartimenten in Buche und Esche zur Folge und deswegen ist sie geeigneter für Allokations-Studien. Beide 15N Tracer erlauben in situ Langzeit-Markierungsexperimente der N Rhizodeposition und Allokation im Boden, da sie keinen Schaden an den Blättern hinterlassen. Dennoch ist die Markierung der Blätter mit Ca(15NO3)2 im Vergleich zu 15NH4Cl die bessere Wahl, um hoch 15N angereichertes Blattstreu zu produzieren, da mehr des aufgenommenen 15N in den Blättern verbleibt für langzeitige Streu-Zersetzungs- und Umsatzstudien. Die artspezifische pflanzenbürtige C Allokation und vielleicht auch N Allokation impliziert einen Anstieg der mikrobiellen Aktivität. Das kann vermutlich zu einer höheren unterirdischen N Verfügbarkeit für Pflanzen führen und eine Erklärung für den positiven Effekt der Planzendiversität auf die Produktivität des Waldbestandes aufgrund von Nischen Partitionierung sein. Diese Arten – Nischen Partitionierung zwischen Bäumen könnte nicht nur die Produktivität in natürlichen Ökosystemen erhöhen, sondern auch die Produktivität von auf Holz basierenden Landnutzungssystemen. Deshalb wurde der Stickstoffkreislauf von einer Kurzumtriebsplantage mit einem Markierungsexperiment mit 15NH4NO3 und NH415NO3 an Weiden- und Pappelstecklingen untersucht. Das Experiment untersuchte die N Aufnahme und Allokation im Baum – Boden System von unten, mit Fokus auf die Biomasse und insbesondere auf die Holzproduktion in der anfänglichen Wachstumsphase. Die Weide zeigte keine Präferenz zwischen NH4+ und NO3ˉ, aber es konnte mehr NH4+ als bei der Pappel in den Baumkompartimenten gefunden werden. Die Pappel hingegen produzierte mehr Biomasse in der anfänglichen Wachstumsphase, dennoch ist die Weide möglicherweise die bessere Wahl wenn Nitratüberschuss auf Agrarflächen schnell in Biomasse umgewandelt werden soll. Weitere Experimente, die eine Verknüpfung zwischen pflanzenbürtigem N Eintrag als treibende Kraft für die Zersetzungsaktivität und die Stickstoffaufnahme vom Bodennahrungsnetz und der wachsenden Nachfrage nach Holz untersuchen, sind erforderlich, um die Hauptmechanismen in der Regulation des Stickstoffhaushaltes zu verstehen. Zusammenfassend vertieft diese Dissertation unser Verständnis über Auswirkungen einzelner Arten auf den C und N Kreislauf im Boden. Sie zeigt, dass die Rhizodeposition, die einem baumartspezifischen Einfluss auf den C und N Kreislauf unterliegt, im Besonderen die Aktivität bestimmter mikrobieller und pilzlicher Gruppen verstärkt. Die untersuchten Markierungsmethoden bedürfen weiterer Anwendung in anderen Waldökosystemen und Landnutzungssystemen wie z.B. dem Agroforest.