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Lukas Dreyling

• Methods using environmental DNA to explore and analyze biodiversity from previously unexplored habitats and ecosystems have become increasingly popular in recent years. This is particularly due to the potential reduction in necessary taxonomic expertise, the opportunity to assess microorganismal communities, and decreased time investments required to cover large spatial extents. In forests, the surface of tree bark is an important habitat for epiphytic diversity. Because of the large surface area rich in micro-niches, the seasonal stability of the substrate, and the longevity of trees, tree bark surfaces provide an ideal habitat for many species. Yet, we lack a comprehensive understanding of their communities and the environmental drivers behind the community assembly. These missing links hinder the exploration of the forest microbiome as a whole and limits our understanding of functions of a large forest habitat and its connections to other forest microbiomes. With a holistic eDNA metabarcoding approach, encompassing samples of three major taxonomic groups (e.g. bacteria, fungi, and green algae), as well as simultaneous collections from multiple forest habitats we can contribute to closing these gaps and increase our knowledge of the forest microbiome. My dissertation is set within the framework of the Biodiversity Exploratories and was conducted in four parts: I. the establishment of an eDNA metabarcoding workflow to reveal the local diversity of the bark surface microbiome; II. the upscaling of the method to large geographic and environmental gradients to uncover the drivers of the microbiome; III. the integration of soil and bark samples to investigate compositional differences in two important forest habitats; IV. the evaluation of eDNA metabarcoding as a tool for biodiversity assessments of lichen diversity in forests. In the first part, I developed a simple, cost-effective and fast sampling strategy to acquire eDNA samples from the bark of trees in forest ecosystems. Using readily available medical-specimen-collection swabs I sampled bark surfaces of individual trees in Central German forests and used metabarcoding to amplify marker genes of green algae, fungi and bacteria. From the sequencing reads I calculated the first diversity estimates of the major organismal groups of bark surface microbiomes from Central European forests. Overall the methodology produced reliable results, allowing for an expanded sampling in the second part. In the second part of the dissertation, I expanded the sampling based on the results of part one. I collected bark surface samples from the three regions of the Biodiversity Exploratories covering large spatial and environmental gradients representative for Central European forests. The collection included composite samples from 150 plots and over 750 trees. Utilizing measurements of climatic and forest structure variables provided by the Biodiversity Exploratories, as well as my own community data, I identified the biotic and abiotic drivers behind alpha and beta diversity of the bark surface microbiome. In the third part, I studied the differences between the bark surface as an unexplored and the soil as an example of a well characterized forest microbiome. Using only the fungal part of the large sampling campaign and soil samples obtained from the same plots at the same time, I assessed the commonalities and differences of the micro-communities of these distinct forest niches. Furthermore, I included two coniferous and one deciduous tree species to examine, if the effect of tree species, previously shown for soil microbiomes, also holds true for the bark surface. In the last part of my dissertation, I used eDNA in a more applied way as a tool in biodiversity assessments of lichenized fungi. I compared the results from eDNA metabarcoding to an expert floristic mapping conducted in the same plots in 2007/2008. I assigned functional guilds to the fungal taxa obtained in the large sampling campaign and used a subset that was assigned as lichenized fungi. In conclusion, I showed that eDNA metabarcoding is a valuable tool to reveal the unknown diversity of microorganisms in forest ecosystems. In particular, my results advance our understanding of the bark surface microbiome, an underexplored habitat within forests. The tightly linked interactions of the three major microbial groups underline that studies need to take holistic approaches across multiple taxonomic groups to deepen our understanding of processes governing the assembly of microbiomes. Results from my dissertation may serve as a foundation to inform hypotheses addressing the functions of forest microbiomes. The massive diversity data collected may also contribute to closing the gap in our understanding of macro-organisms and micro-organisms with respect to diversity distributions and patterns of richness, and serve as a baseline for predictions of biodiversity responses under future anthropogenic change.
• Umwelt-DNA ermöglicht die Erfassung und Analyse von Biodiversität in bisher unerforschten Lebensräumen. Besondere Vorteile der Methode sind der stark reduzierte Zeitaufwand für die Kartierung und Probennahme über größere Areale, die Möglichkeit der Erfassung von Mikroorganismen und eine geringere Abhängigkeit von taxonomischer Expertise. Die Oberfläche der Borke von Bäumen stellt einen großen und ökologisch bedeutsamen, aber bisher vergleichsweise unerforschten Lebensraum in Wäldern dar. Aufgrund ihrer saisonalen Stabilität, der langen Lebenspanne der Bäume und einer Vielzahl von kleinen strukturellen Nischen bietet die Borke ein ideales Habitat für die Besiedlung durch mikrobielle Gemeinschaften. Zu einem besseren Verständnis dieser Borkengemeinschaften fehlt momentan eine umfangreiche Beschreibung der Diversität und der Prozesse, die die Struktur der Gemeinschaften beeinflussen. Diese Wissenslücken behindern die holistische Untersuchung des Waldmikrobioms, d.h. aller Mikroorganismen im Ökosystem Wald, wodurch Verbindungen zwischen den einzelnen Waldlebensräumen (z.B. Boden und Kronenbereich) wenig bekannt sind. Mit Hilfe von Hochdurchsatz-Sequenzierung und der Analyse von Umwelt-DNA durch Meta-Barcoding Ansätze können diese Lücken gefüllt werden. Diese Dissertation gliedert sich in vier Teile: I. die Etablierung eines Meta-Barcoding Protokolls für Umwelt-DNA zur Beschreibung der Diversität in Borkenmikrobiomen; II. die Erweiterung dieser Methodik zur Probennahme in großen Umweltgradienten um die treibenden Prozesse der Mikrobiome zu verstehen; III. die gemeinsame Betrachtung von Boden- und Borkenmikrobiomen zur Untersuchung von Unterschieden in zwei wichtigen Waldlebensräumen; IV. die Evaluierung von Umwelt-DNA Meta-Barcoding zur Kartierung von Flechten in Wäldern. Im ersten Teil meiner Dissertation habe ich neben der Entwicklung eines Umwelt-DNA Meta-Barcoding Protokolls auch die Unterschiede in der mikrobiellen Gemeinschaft von Bäumen unterschiedlichen Alters untersucht. Hierbei zeigte sich, dass ältere Bäume eine deutlich geringere Diversität des Borkenmikrobioms aufwiesen, als jüngere Bäume. Daher kann auf einen langsamen Prozess der Filterung geschlossen werden, beispielsweise durch die Verdrängung von Arten durch Konkurrenz. Des Weiteren konnte ich durch mikrobielle Netzwerke zeigen, dass die Artengruppen untereinander stark vernetzt sind und potentiell auf verschiedene Weisen miteinander interagieren. Im zweiten Teil habe ich die Probennahme basierend auf den Ergebnissen von Teil eins erweitert, und in drei Regionen welche repräsentativ für mitteleuropäische Wälder sind, Proben der Umwelt-DNA genommen. Durch die Nutzung von Daten des Mikroklimas und der Waldstruktur, sowie meinen eigenen Daten zur Zusammensetzung der Artgemeinschaften, konnte ich die wichtigsten Prozesse hinter Veränderungen in der Diversität und Gemeinschaftsstruktur des Borkenmikrobioms identifizieren. Während die abiotischen Umwelteinflüsse vor allem den Artenreichtum beeinflussten, hatten biotische Beziehungen zwischen den Artgruppen einen großen Effekt auf die Artzusammensetzung. Dies zeigt, dass die abiotische Umwelt die Größe der Gemeinschaft beschränkt, wohingegen die starken Verbindungen zwischen den Arten, wie z.B durch Nährstoffaustausch, bestimmen wie sich die Gemeinschaft strukturiert. Im dritten Teil der Dissertation habe ich die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Mikrobiome des Waldbodens und der Borkenoberfläche untersucht. Hierbei habe ich mich auf die Gruppe der Pilze konzentriert und konnte zeigen, dass die Gemeinschaften des Borkenmikrobioms nur unzulänglich bekannt sind. Mehr als 15% der auf der Borkenoberfläche gefundenen genetisch unterscheidbaren Organismen konnten keiner Art zugewiesen werden, während es im Boden weniger als 2% waren. Dies weißt darauf hin, dass die Borke großes Potential zur Beschreibung, und möglicherweise Kultivierung, neuer Arten bietet. Im letzten Teil meiner Arbeit habe ich mich mehr mit der angewandten Seite der Methode Umwelt-DNA befasst, und die Ergebnisse des Meta-Barcodings mit einer in den Jahren 2007 und 2008 durchgeführten, floristischen Flechtenkartierung verglichen. Aus dem großen Gesamtdatensatz konnten im DNA-Datensatz etwa 100 Flechtenarten identifiziert werden, von denen nur 40 auch in der Kartierung gefunden werden konnten. Vorteile hatte die Umwelt-DNA insbesondere bei der Identifikation von morphologisch schwer unterscheidbaren Arten und konnte hier eine größere Diversität aufdecken. Als großes Hindernis erwiesen sich allerdings unvollständige DNA-Datenbanken, in denen Arten fehlten, die häufig in der floristischen Kartierung gefunden wurden. Diese Arbeit zeigt erstmals Ergebnisse zu Prozessen, Funktionen und Verbindungen des Borkenmikrobioms, und leistet einen wichtigen Beitrag zur Erweiterung unseres Verständnisses von (mikrobiellen) Gemeinschaften in einem wichtigen, aber wenig erforschten, Habitat mitteleuropäischer Wälder: Der Borkenoberfläche.