Community structure of Arbuscular Mycorrhizal Fungi in temperate grassland and tropical land-use systems

Abstract

Fast alle Pflanzen in den gemäßigten und tropischen Klimazonen gehen eine symbiontische Beziehung mit Mykorrhizapilzen ein. Studien über die Symbiose von Mykorrhizen konzentrieren sich vor allem auf die gemäßigten Klimazonen der Erde und nur wenige Informationen über tropische Landnutzungssysteme stehen zur Verfügung. Die Assoziation von Pflanzenwurzel und arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMF) ist von wesentlicher Bedeutung, da der Pilz eine Schlüsselrolle für die Funktionsfähigkeit und Nachhaltigkeit von Ökosystemen einnimmt. Es wurden zwei Experimente durchgeführt, um die Gesellschaften von AMF zu untersuchen, eines in der gemäßigten Klimazone in einem Dauergrünland im Solling, Deutschland und das andere in tropischen Transformationssystemen auf Sumatra, Indonesien. Das Ziel des Experiments im Grünland war es festzustellen, ob es Unterschiede in der Zusammensetzung von AMF-Gesellschaften gibt, die durch verschiedene Flächenbewirtschaftungen und Herbivorie verursacht werden. Es wurde angenommen, dass (i) Düngung die AMF-Gesellschaftszusammensetzung verändert und der AMF-Artenreichtum herabgesenkt werden kann, (ii) regelmäßiges Mähen und Herbivorie potentiell zur Reduzierung von photosynthetischem Kohlenstoff in den Pflanzengeweben führt. Da die AMF auf die Kohlenstoffzufuhr durch ihre Wirtspflanzen angewiesen sind, gehen wir davon aus, dass Herbivorie und Mähen die AMF-Abundanz senkt, (iii) bisher ist der Zusammenhang zwischen AMF-Gesellschaften und pflanzlicher Diversität unklar. Wir erwarten, dass die Manipulation des Artenreichtums der Graslandvegetation negativen Einfluss auf die AMF-Abundanz hat. Im zweiten Experiment sollte der Einfluss der Umwandlung von Tieflandregenwald in Kautschuk- und Ölpalmplantagen auf die Struktur von AMF-Gesellschaften untersucht werden. In dieser Studie wurde angenommen, dass die veränderte Landnutzung hingehend zu intensive bewirtschafteten Plantagen einhergeht mit einem Verlust des AMF-Artenreichtums und dass die AMF-Gesellschaftszusammensetzung verändert wird. Die Graslandvegetation wurde durch die Anwendung von Herbiziden gegen entweder dikotyle oder monokotyle Pflanzen verändert um Unterschiede im Artenreichtum in den Flächen zu erlangen. Die so entstandenen unterschiedlichen Grünflächen wurden dann unterschiedlich durch Mähen, Düngung und dem Aussetzen von Fraßfeinden behandelt. Die Studie war ein Feldexperiment mit Latin Rectangle Design. Es beinhaltete drei Behandlungsfaktoren: Grünflächentyp, Anwendung und Nährstoffe. Der Faktor Grünflächentyp war durch drei Ausprägungen vertreten (unbehandelte Kontrollflächen [species richness], Flächen mit Reduktion von Dikotylen [monocots] und Flächen mit reduzierter Anzahl von Monokotylen [dicots]). Der Faktor Anwendung hatte zwei Level: einmalig gemäht und dreimal gemäht. Der Faktor Nährstoffe wurde ebenfalls durch zwei Level vertreten, zum einen durch die Düngung mit NPK und zum anderen durch den Verzicht auf Düngung. Um die AMF-Kolonisierung zu betrachten, wurde die relative Kolonisierungsrate durch Hyphen, die relative Abundanz von Vesikeln, sowie die relative Abundanz von Arbuskeln analysiert. Die Diversität von AMF OTUs (Operational Taxonomic Units) wurde anhand der Amplifikation der rDNA Region zum Sanger-Sequenzieren bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Hyphenkolonisierungsrate nicht durch die verschiedenen Flächenbewirtschaftungen beeinflusst wurde. Dünung als Einzelfaktor hat die relative Abundanz von Arbuskeln und Vesikeln sowie die AMF-Diversität signifikant herabgesetzt. Der Shannon Index für Diversität (H’) zeigt, dass ungedüngte Flächen diversere AMF OTUs aufweisen als gedüngte Flächen. Die relative AMF-Abundanz wurde nicht durch das Entfernen oberirdischer Pflanzenbiomasse, in Form von regelmäßigem Mähen und Herbivorie, beeinflusst. Auch die verschieden artenreichen Graslandvegetationen haben keinen Einfluss auf die relative AMF-Abundanz gezeigt. Dennoch hat die Interaktion von Grünflächentyp, Dünung und Schnittfrequenz zu einer signifikanten Veränderung der relativen Abundanz von Vesikeln und Arbuskeln geführt. Es wurden AMF OTUs innerhalb dreier Familien der Glomeromycota gefunden: Glomeraceae, Claroideoglomeraceae, und Archaeosporaceae wobei Glomus sp. am häufigsten gefunden wurde. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass Dünung ein dominanter Faktor für die Veränderungen von AMF-Gesellschaften in Graslandvegetationen sein könnte. Das zweite Experiment wurde in zwei Landschaften auf Sumatra, Indonesien durchgeführt, zum einen im Gebiet des Bukit Duabelas Nationalpark und zum anderem im Gebiet des Harapan Regenwalds. Die AMF-Artenabundanz in Wurzeln wurden untersucht, indem partielle rDNA-Fragmente amplifiziert wurde. Um die dazugehörigen Wirtspflanzenart zu identifizieren, wurde die pflanzliche DNA mit Hilfe der Marker rbcL und matK bestimmt. Es wurden insgesamt 112 Einzelwurzeln untersucht und 39 AMF OTUs gefunden. Die Rarefaction-Analysen zeigen, dass die Anzahl analysierter AMF Sequenzen pro Probenahmestelle ausreichend waren, um eine Aussage über die AMF-Diversität in den Wurzeln der Landnutzungssysteme treffen zu können. Die pflanzliche DNA konnte mit dem rbcL Marker identifiziert werden, während der matK Marker keine zufriedenstellenden Ergebnisse lieferte. Es wurden 20 AMF Wirtspflanzen in Bukit Duabelas beziehungsweise 31 in Harapan gefunden. Die Diversitätsindizes zeigen, dass durch die Umwandlung von Regenwald in Ölpalm- und Kautschukplantagen der Artenreichtum von AMF signifikant verringert wird. Der Effekt der Landnutzung wurde mithilfe von PERMANOVA ermittelt und zeigte, dass unterschiedliche Landschaften und Plots die Zusammensetzung der AMF-Gesellschaften signifikant beeinflussen. Dieser Effekt kann durch Umweltfaktoren erklärt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Struktur der AMF-Gesellschaften in Verbindung stehen mit Kohlenstoff-, Stickstoff- und Aluminiumkonzentration der Wurzeln sowie mit dem pH-Wert der BÖden. Im Gegensatz dazu, hat der Phosphorgehalt der Wurzeln keinen signifikanten Einfluss auf die Struktur der AMF-Gesellschaften. Die Ergebnisse dieser Studien zeigen klar den Einfluss von spezifischer Flächenbewirtschaftung in Grünflächen der gemäßigten Zone sowie den der Umwandlung des tropischen Regenwaldes zu intensiv bewirtschafteten Plantagen. Die Untersuchungsgebiete des Dauergrünlandes in der gemäßigten Klimazone und der Transformationssysteme des Regenwaldes in den Tropen enthalten genügend Umweltfaktoren, um viele Effekte von Flächenbewirtschaftung und Landnutzungsveränderungen auf die Zusammensetzung von AMF-Gesellschaften zu erklären.