| dc.contributor.advisor | Polle, Andrea Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Nguyen, Quang Dung | |
| dc.date.accessioned | 2019-01-29T09:56:58Z | |
| dc.date.available | 2019-07-17T22:50:02Z | |
| dc.date.issued | 2019-01-29 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E575-4 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7252 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 634 | de |
| dc.title | Diversity and function of root-associated fungal communities in relation to nitrogen nutrition in temperate forests | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Krutovsky, Konstantin Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2018-07-18 | |
| dc.description.abstractger | Ektomykorrhizapilze bilden Symbiosen mit den Wurzeln vieler Pflanzenarten aus. Sie versorgen die Pflanzen mit Nährstoffen und werden im Gegenzug von den Pflanzen mit Kohlenhydraten aus der Photosynthese versorgt. In natürlichen Ökosystemen bilden Pflanzenwurzeln nicht nur mit Ektomykorrhizapilzen, sondern auch mit einer Vielzahl anderer Mikroben Interaktionen aus. Das Interesse an wurzelassoziierten Pilzgemeinschaften wächst, da diese eine wichtige Rolle bei der Nährstoffversorgung und Fitness der Pflanzen spielen könnten. Stickstoff (N) ist ein essentieller Nährstoff für Pflanzenwachstum und –entwicklung, aber häufig ein limitierender Faktor in Waldökosystemen. Bis heute ist das Wissen über die Beziehungen zwischen wurzelassoziierten Pilzen mit ihren Umweltbedingungen und ihrer potentiellen Funktion bei der N-Ernährung der Bäume gering. Ziel dieser Dissertation war es, die Umweltbedingungen und Funktionen von wurzelassoziierten Pilzgemeinschaften im Zusammenhang mit N zu untersuchen.
Buchen (Fagus sylvatica) wurden als Wirtspflanzen ausgewählt, um die Beteiligung von Ektomykorrhizapilzen bei der N-Versorgung der Pflanzen zu untersuchen. Es wurde die Infrastruktur der Biodiversitäts-Exploratorien genutzt, welche 150 Waldplots (je 100 x 100m) entlang drei biogeographischer Regionen mit einer Größe von 422 bis 1300 km2 (Schwäbische Alb, Hainich-Dün und Schorfheide-Chorin) umfasst, entlang eines 700 km langen Transektes durch Deutschland. Die Biodiversitäts-Exploratorien stellen eine gut organisierte Plattform für großräumige und langfristige Forschung zu funktioneller Biodiversität und den Auswirkungen von Landnutzung und geographischer Region zur Verfügung. In den drei Versuchsregionen wurde ein Buchen-Transplantationsexperiment etabliert, bei dem junge Buchen, die aus verschiedenen Plots der drei Exploratorien stammten, in bestimmten Plots der Exploratorien nebeneinander angepflanzt wurden.
Die Ziele dieser Arbeit waren, (1) den Einfluß von ektomykorrhizaler Diversität und der Zusammensetzung ihrer Gemeinschaft auf die Ernährung mit anorganischem N und der Vitalität von Buchen verschiedener Herkunft zu beurteilen, (2) Erkenntnisse über die molekularen Mechanismen der Interaktionen zwischen Ektomykorrhizapilzen und Buchen zu bekommen, und (3) die wurzel-assoziierten Pilzgemeinschaften und ihre Beziehung zu Boden- und Wurzel-Stickstoff und -Kohlenstoff in temperaten Wäldern zu untersuchen.
(1) Um den Einfluß der ektomykorrhizalen Pilzgemeinschaft und der Bodenbeschaffenheit auf die Ernährung mit anorganischem N und der Vitalität von Buchen zu untersuchen, wurden die Hypothesen aufgestellt, daß (i) die Leistungsfähigkeit und N-Ernährung von Buchen verschiedener Herkunft sich in derselben Umwelt unterscheiden, (ii) die Leistungsfähigkeit und N-Ernährung von Buchenherkünften sich aufgrund einer unterschiedlichen Zusammensetzung der Ektomykorrhizagemeinschaft unterscheidet, und (iii) die Buchenherkünfte der drei verschiedenen biogeographischen Gebiete die N-Form bevorzugen, die in ihrer ursprünglichen Umwelt vorherrscht. Um diese Hypothesen zu untersuchen, wurde ein Gewächshausexperiment durchgeführt, bei dem Buchen von drei verschiedenen Herkünften aus Bucheckern angezogen wurden. Die Diversität der Ektomykorrhizapilze wurde beeinflußt, indem die Buchensetzlinge in zwei verschiedene Bodenarten gepflanzt wurden: Beide Bodenarten stammten aus dem Gebiet Hainich-Dün. Einmal wurde der Boden so belassen, wie er dem Wald entnommen wurde; für den zweiten Ansatz wurde er zunächst sterilisiert und dann mit Bakterien reinokuliert. Nach zwei Jahren der Exposition wurden Biomasseentwicklung und Photosynthese als Vitalitätsindikatoren der Buchen gemessen, die Gemeinschaften der Ektomykorrhizapilze identifiziert und die N-Ernährung der Buchen durch die Nachverfolgung von zugeführtem, mit 15N markiertem NH4+ und NO3- untersucht. Die Effekte des Bodens und der Herkunft, sowie ihre Interaktion wurden mittels „allgemeiner linearer Modelle“ (general linear model) analysiert. Es wurden Ähnlichkeitsanalysen (analysis of similarity) der ektomykorrhizalen Gemeinschaften zwischen den verschiedenen Bodentypen und den unterschiedlichen Herkünften angewendet. Kanonische Korrespondenzanalysen (canonical correspondence analysis) wurden durchgeführt, um die Beziehungen zwischen pflanzlicher Biomasse, Stickstoff und ektomykorrhizalen Gemeinschaften zu erforschen. Entgegen der Erwartungen konnten keine genetisch bedingten Auswirkungen auf Wachstum, Stickstoffgehalt und 15N-Aufnahme festgestellt werden. Eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit und der Langzeit-N-Ernährung wurden an den Buchenherkünften festgestellt, die in unbehandelter Walderde kultiviert und von einer größeren ektomykorrhizalen Diversität kolonisiert waren, im Vergleich zu denen, die in sterilisierter Erde kultiviert wurden. Eine erhöhte Diversität von Ektomykorrhizapilzen hatte jedoch keinen Einfluß auf die 15N-Aufnahme. Verschiedene Buchenherkünfte bevorzugten NO3-gegenüber NH4+.Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, daß die Leistungsfähigkeit von Buchen und deren N-Ernährung von Bodenmikroben kontrolliert werden, insbesondere von der Zusammensetzung der Ektomykorrhizagemeinschaft.
(2) Um Einblicke in die molekularen Mechanismen der Ektomykorrhizapilz-Buchen-Interaktion zu erhalten, wurden die Transkriptome von Buchen und Pilzen charakterisiert und die Reaktionen von Pilz- und Buchen-Gentranskripten auf unterschiedliche Umweltbedingungen untersucht. Junge Buchen der Herkunft „Schorfheide-Chorin“ wurden in die drei biogeographisch unterschiedlichen Regionen der Biodiversitäts-Exploratorien gepflanzt. Nach zwei Jahren Wachstum unter Freilandbedingungen wurden die Buchenwurzeln geerntet und zur Untersuchung der Transkriptome verwendet. Nach einer Qualitätsfilterung wurden die bereinigten Sequenzen gegen Transkriptome von Buchen und Ektomykorrhizapilzen annotiert. Es wurden Transkripte mit signifikant verringerter oder erhöhter Häufigkeit in den drei Regionen nachgewiesen. Die Muster der Transkripthäufigkeit zwischen den drei Regionen wurden durch Hauptkomponentenanalyse (principal component analysis) sichtbar gemacht. Eine Gen-Ontologie-Analyse (gene ontology term analysis) wurde angewendet, um mögliche Funktionen von unterschiedlich exprimierten Genen zu erkennen. Das Transkriptom der Wurzeln aus Schorfheide-Chorin unterschied sich von denen in den anderen beiden Regionen. Die meisten unterschiedlich exprimierten und angereicherten Gen-Ontologie-Terme wurden zwischen Hainich-Dün und Schorfheide-Chorin nachgewiesen. Es wurden Buchengene (111) und Ektomykorrhizapilzgene (374) identifiziert, die mit der N-Aufnahme und –Assimilation in Verbindung gebracht wurden. Die nachgewiesenen Buchengene waren an der Nitrataufnahme und –assimilation beteiligt, während die Pilzgene bei der Aufnahme und Assimilation von Ammonium beteiligt waren.
(3) Um die Diversität und Gemeinschaftszusammensetzung von wurzelassoziierten Pilzgemeinschaften und ihre Wechselbeziehungen mit der Stickstoff- und Kohlenstoffverfügbarkeit von Böden und Wurzeln in temperaten Wäldern zu erforschen, wurden die folgenden Hypothesen getestet: (i) die taxonomischen Gemeinschaftszusammensetzungen der wurzelassoziierten Pilze unterscheiden sich in verschiedenen biogeographischen Regionen, aber die trophischen Gemeinschaftszusammensetzungen sind ähnlich; (ii) wurzelassoziierte Pilzgemeinschaften werden aufgrund der engen Interaktionen der Ektomykorrhiza mit ihren Wirtspflanzen stärker durch die Wurzel- als die Bodenchemie gesteuert; und (iii) verschiedene ökologische Gruppen der wurzelassoziierten Pilze (symbiotroph, saprotroph und pathotroph) reagieren unterschiedlich auf umweltbedingte Veränderungen von Stickstoff und Kohlenstoff im Boden und in den Wurzeln. Um diese Hypothesen zu testen, wurden Feinwurzeln in 150 Waldplots der drei Exploratorien gesammelt und mit der Wurzel- und Bodenchemie korreliert. Dazu wurden die wurzelassoziierten Pilze durch Illumina-Sequenzierung (MiSeq) identifiziert. Die Zusammensetzung der wurzelassoziierten Pilzgemeinschaften wurde unter Verwendung von nichtmetrischer multidimensionaler Skalierung (non-metric multidimensional scaling) und Ähnlichkeitsanalysen (analysis of similarities) untersucht. Die Beziehungen zwischen der Häufigkeit von wurzelassoziierten Pilzen und abiotischen Variablen wurden mit linearen Mixed-Effekt-Modellen (linear mixed effects models) untersucht. Erwartungsgemäß unterschieden sich die Zusammensetzungen der taxonomischen Gemeinschaften in den drei Regionen signifikant, aber die Unterschiede der taxonomischen Gemeinschaftszusammensetzungen war größer, als die der trophischen, welche sich zwischen Schorfheide-Chorin und den anderen beiden Regionen nur geringfügig unterschied, zwischen der Schwäbischen Alb und Hainich-Dün unterschieden sie sich nicht. Es wurde eine Korrelation zwischen den trophischen Pilzgruppen (symbiotroph, saprotroph und pathotroph) und NH4+ und NO3- in den Wurzeln festgestellt, Stickstoff und Kohlenstoff in den Wurzeln hatten einen größeren Einfluß auf Veränderungen bei den Pilzgruppen, als diese Elemente im Boden. Die Abundanzen der in dieser Studie untersuchten Pilzbestände korrelierten mit dem NO3- in den Wurzeln. Gemäß den Erwartungen wiesen verschiedene Pilzordnungen unterschiedliche Muster mit den abiotischen Variablen auf. Insgesamt stützen diese Ergebnisse die Annahme, daß funktionale Resilienz durch taxonomische Divergenz zwischen Schwäbischer Alb und Hainich-Dün erreicht werden kann. Biogeographische Region und N in den Wurzeln (NH4+ und NO3-) waren vermutlich die treibende Kraft bei Veränderungen der Abundanz von wurzelassoziierten Pilzgemeinschaften in den Biodiversitäts-Exploratorien.
Zusammenfassend gibt diese Studie Einblicke in die Beziehungen zwischen wurzelassoziierten Pilzen und Stickstoff in temperaten Wäldern. Bei jungen Buchen wird die N-Ernährung durch die Ektomykorrhiza-Diversität kontrolliert. Wie das auf molekularer Ebene funktioniert, bleibt rätselhaft, da NO3-, gestützt durch die Buchen-Genexpression, die bevorzugte N-Quelle der Buchen war, während die Leistungsfähigkeit der Buchen auf molekularer Ebene durch die Mitwirkung von Pilzgenen erklärt werden könnte, die mit der Aufnahme und Assimilation von NH4+ in Zusammenhang stehen. Biogeographische Region und N-bezogene Variablen (NH4+ und NO3-) in Wurzeln waren die treibende Kraft für Veränderungen der Zusammensetzung wurzelassoziierter Pilzgemeinschaften in gemäßigten Wäldern. Die künftige Forschung sollte sich mit Taxon-spezifischer pilzlicher N-Aufnahme und der zeitlichen Dynamik wurzelassoziierter Pilzgemeinschaften befassen. Die Entwicklung eines Referenzgenoms für Fagus sylvatica wäre eine wichtige Grundlage für ein besseres Verständnis der molekularen Mechanismen von Buche-Pilz-Interaktionen. | de |
| dc.description.abstracteng | Ectomycorrhizal fungi form symbiotic association with roots of a variety of plant species. They provide plants with nutrients in exchange of photosynthetic carbohydrates. In natural ecosystems, plants form associations not only with ectomycorrhizal fungi but also with a variety of other microbes. Interest in root-associated fungal communities is increasing because they may play an important role in plant nutrition and fitness. Nitrogen (N) is an essential nutrient for plant growth and development but often a limiting factor in forest ecosystems. To date, little is known on the relationship of root-associated fungi with their environmental conditions and their potential function for tree N nutrition. Therefore, this study was designed to investigate environmental drivers and functions of root-associated fungal communities in relation to N.
Here, beech (Fagus sylvatica L.) was selected as a host plant to investigate the contribution of ectomycorrhizal fungi to plant N supply. Furthermore, this study used the infrastructure of the Biodiversity Exploratories which includes 150 forest plots (100x100 m) across three biogeographic regions of 422 to 1300 km2, Schwäbische Alb, Hainich-Dün and Schorfheide-Chorin located along a transect about 700 km across Germany. The Biodiversity Exploratories provide a well-organized platform for large-scale and long-term research on functional biodiversity in response to land use and geographical regions. A beech transplantation experiment, where young beeches of provenances from different Exploratory plots were grown side-by-side in the three research regions, was also used.
The objectives of this study were (1) to assess the impact of ectomycorrhizal diversity and community composition on inorganic N nutrition and performance of beech provenances, (2) to obtain insights into molecular mechanisms of ectomycorrhizal fungi-beech interactions, (3) to investigate root-associated fungal communities and their relationships with soil and root N and carbon in temperate forests.
(1) To assess the impact of ectomycorrhizal community composition and soil treatment on inorganic N nutrition and beech performance, I hypothesized: (i) the performance and N nutrition of beech provenances differ in a common environment; (ii) the performance and N nutrition of beech provenances differ with different ectomycorrhizal community compositions; and (iii) beech provenances from the three biogeographical areas prefer the N form that is prevalent in their natural environment. To test these hypotheses, a greenhouse experiment was set up with three beech provenances grown from beech nuts. Diversity of ectomycorrhizal fungi was manipulated by planting beech seedlings in two soil types: original forest Hainich-Dün soil and Hainich-Dün soil which was sterilized and reinoculated with bacteria. After two years of exposure, I measured beech performance, identified EMF communities and investigated beech N nutrition by tracing 15N labelled NH4+ and NO3-. The effects of soil and provenance and their interaction were analysed using general linear models. Analysis of similarity of ectomycorrhizal communities between soil treatments and among provenances were applied. Canonical correspondence analysis was conducted to explore the relationships among plant biomass, nitrogen and ectomycorrhizal communities. In contrast to my expectation, genetically determined effects on growth, nitrogen content and 15N uptake were not detected. Improved performance and long-term N nutrition were observed for the beech provenances grown in original soil colonized by higher ectomycorrhizal diversity than for those in treated soil. However, increased ectomycorrhizal fungi diversity did not affect beech 15N uptake. Different beech provenances preferred NO3- over NH4+. Overall, the results suggest that beech performance and N nutrition are controlled by soil microbes, in particular, by the ectomycorrhizal community composition.
(2) To obtain insights into molecular mechanisms of ectomycorrhizal fungi-beech interaction, beech and fungal transcriptomes were characterized, and the response of fungal and beech gene transcript levels to differences in environmental conditions were investigated. Young beech plants from the provenance “Schorfheide-Chorin” were planted in the three biogeographical regions of the Exploratories. After two years of growth under field conditions, beech roots were harvested and used to study transcriptomes. After quality filtering, cleaned sequences were mapped against transcriptomes of beech and ectomycorrhizal fungi. Transcripts with significantly decreased or increased abundance among the three regions were detected. The patterns of transcript abundance among the three regions were visualized by principal component analysis. Gene ontology term analysis was applied to detect possible functions of differentially expressed genes. The transcriptome of Schorfheide-Chorin was different from those from the other two regions. Most differentially expressed genes and enriched gene ontology terms were detected between Hainich-Dün and Schorfheide-Chorin. Beech genes (111) and ectomycorrhizal genes (374), which were related to N uptake and assimilation, were identified. The detected beech genes were involved in nitrate uptake and assimilation, whereas fungal genes contributed to ammonium uptake and assimilation.
(3) To investigate the diversity and community composition of root-associated fungal communities and their interrelationship with soil and root nitrogen and carbon availability in temperate forests, the following hypotheses were tested: (i) the taxonomic community compositions differ among different biogeographical regions, but the trophic community compositions are similar; (ii) Root-associated fungal communities are driven more strongly by root than by soil chemistry because of the tight interaction of fungal communities with host plants; and (iii) different ecological groups of the root-associated fungi (symbiotroph, saprotroph and pathotroph) respond differently to environmental variation in soil and root N and carbon. To test these hypotheses, fine roots were sampled from 150 forest plots in the three Exploratory regions and related to root and soil chemistry. Root-associated fungi were identified by Illumina sequencing (MiSeq) and related to root and soil chemistry. Root-associated fungal community composition was explored using non-metric multidimensional scaling and analysis of similarities. Relationships between the abundance of root-associated fungi and abiotic variables were investigated using linear mixed effects models. Taxonomic community composition differed significantly among the three regions which was expected, but the difference in the taxonomic community composition was stronger than that in the trophic community composition which differed moderately between Schorfheide-Chorin and the two other regions but did not differ between Schwäbische-Alb and Hainich-Dün. Trophic fungal groups (symbiotroph, saprotroph and pathotroph) were driven by root NH4+ and NO3-, and N and carbon in roots were more important than those elements in soil for changes in the fungal groups. The abundance of fungal orders present in our analysis was driven by root NO3-. In agreement with my expectation, different fungal orders exhibited distinct patterns with the abiotic variables. Overall, these results support that functional resilience might be achieved by taxonomic divergence between Schwäbische Alb and Hainich-Dün. Biogeographical region and N in roots (NH4+ and NO3-) were drivers for changes in the abundance of root-associated fungal communities.
In conclusion, this study provides insights into the relationships between root-associated fungi and nitrogen in temperate forests. In young beech trees, ectomycorrhizal diversity controls N nutrition. How this works at the molecular levels remained enigmatic because NO3- was the preferred N source for beech underpinned by beech gene expression, while fungal genes were related to NH4+ uptake and assimilation. Biogeographical regions and N-related variables (NO3-, NH4+) in roots are drivers for changes in root-associated fungal community composition across temperate forests. Future research should address taxon-specific fungal N uptake and the temporal dynamics of root-associated fungal communities. Developing a reference genome for Fagus sylvatica would be an important basis for better understanding the molecular mechanisms for beech-fungal interactions. | de |
| dc.contributor.coReferee | Daniel, Rolf Prof. Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Mitlöhner, Ralph Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | Fagus sylvatica, root fungi, ectomycorrhizas, nitrogen, N labelling, RNA sequencing, metagenomics, root traits | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-002E-E575-4-4 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.description.embargoed | 2019-07-17 | |
| dc.identifier.ppn | 1047615770 | |