English
Nutrient imbalances and drought are challenges the world’s forests are currently facing due to massively changing environmental conditions. In European forests, phosphorus (P) nutrition is declining due to increasing anthropogenic N deposition and drought. In temperate European forests, the association of roots with ectomycorrhizal (EM) fungi is common for most tree species and regarded as one of the main strategies to cope with nutrient limitations and drought. However, there are considerable variations among different EM taxa in terms of nutrient and water provision to the host trees since EM fungi are highly diverse in their morphological structures and physiological traits such as hyphal mantle formation, Hartig net development, exploration type and genetic inventory for nutrient acquisition. Therefore, different EM fungal species colonizing the same host tree may have distinct effects on nutrient provision, growth traits and drought resistance. Furthermore, EM species acquire carbohydrates from their host, which they use for their own metabolism and growth and which they partly secrete into the soil. To date, our knowledge about how different EM associations mediate host growth and drought responses and whether they represent taxon-specific carbon sinks is still scarce. Furthermore, the underlying molecular mechanisms of the host in response to different EM taxa also remain unclear.
In this thesis, five different EM strains: Paxillus involutus (Batsch) Fr. (MAJ), Paxillus involutus (Batsch) Fr. (NAU), dikaryon Laccaria bicolor (S238N), monokaryon Laccaria bicolor CII-H82 (S238N) and Cenococcum geophilum Fr. were employed. The EM species have divergent exploration types (short and long distance), exhibit strain-specific differences with regard to Hartig net formation between the two selected members of the same species and C. geophilum is known for its drought tolerance. Grey poplar (Populus x canescens) was used as the host tree species, inoculated with a distinct EM species and exposed to either low nutrients or drought conditions to compare how different EM associations influence nutrient acquisition, poplar growth and drought resistance. Furthermore, poplar leaves were labeled with a solution containing a mixture of 13C, 15N and 33P to trace the allocation pattern of C, N and P within plant compartments and soil. The study was structured in the following three research chapters:
The first chapter investigated the taxon-specific effects of EM fungi Paxillus involutus (MAJ and NAU) (Boletales, long distance exploration types) and Laccaria bicolor (dikaryon and monokaryon) (Agaricales, short distance exploration types) on P use efficiency and growth of poplar under two P levels (high HP, low LP). I hypothesized that: (i) compared to non-inoculated (NI) poplar, the growth of poplar inoculated with EM fungi was stimulated through amelioration of P uptake; (ii) poplar growth responses to P availability vary among different EM species and isolates. (iii) EM fungi enhance P acquisition of poplar but not P use efficiency and therefore the P tissue concentrations remain unaffected, irrespective of the P supply. HP led to greater growth and biomass production than LP conditions. Poplars colonized with P. involutus (MAJ and NAU) and Ni plants exhibited higher growth and biomass production than those associated with L. bicolor dikaryon or monokaryon. Net photosynthesis was stimulated by all of the tested EM species under HP, but not by P. involutus under the LP condition. The tissue concentrations of P were higher under HP than LP conditions and unaffected by EM taxa. P utilization for biomass production was 44% higher for LP than for HP plants, irrespective the EM species. These results suggest different EM species did not affect poplar P use efficiency, thereby resulting in P homeostasis at a given P level. P. involutus colonization benefited poplar growth more than L. bicolor but not more than Ni conditions.
The second chapter compared the molecular and physiological performance of grey poplar (Populus x canescens) colonized with either P. involutus (MAJ) or C. geophilum with Ni poplars in response to drought. I hypothesized that (i) different EM symbioses improve either plant growth or stress tolerance, thus, resulting in a tradeoff between biomass production and defense activation under well-watered conditions; (ii) stress priming or pre-acclimation in mycorrhizal poplars renders them drought tolerant than non-mycorrhizal plants. Soil moisture, poplar growth and leaf predawn water potentials were monitored during drought exposure of EM and Ni poplars. Transcriptional responses were investigated by RNAseq in poplar leaves and roots. P. involutus colonization greatly stimulated poplar growth under well-watered conditions, but led to a drastic decline in gas exchange, pre-dawn water potential and massive leaf shedding under drought. Conversely, poplar colonized with C. geophilum showed the lowest growth under non-stressed conditions, but their photosynthesis, pre-dawn water potentials and leaf areas were unaffected by drought. Transcriptome analyses supported growth-defense trade-off under well-watered conditions evident as an enrichment of GO terms related to carbohydrate and stress in P. involutus- and C. geophilum-associated poplars, respectively. Lower drought stress in poplars colonized with C. geophilum than in those colonized with P. involutus was not linked with the regulation of putative poplar aquaporins, but was related to the activation of heat shock proteins before drought. These findings provide a molecular base for future studies on how different EM symbioses mediate the physiological and transcriptional performance of woody plants in response to drought.
The third chapter aimed to quantify the rhizodeposition of C, N and P derived from poplar roots and to explore the role of different EM fungi in this process. After leaf-feeding, 13C, 15N and 33P allocation patterns were traced within plant compartments (leaves, stem, roots) and soil. I hypothesized that (i) C, N and P are translocated from leaves to roots and can be detected in the soil; (ii) a greater fraction of resources, especially of C, is allocated from roots of EM poplars than from Ni poplars into the soil; (iii) the fractions of C, N and P transferred from poplar roots into the soil vary among different EM associations. 13C, 15N and 33P exhibited divergent allocation patterns in plant tissues. A higher proportion of 13C than of 15N and 33P was detected in the soil. Mycorrhizal poplars allocated a greater percentage of 13C to the root system than Ni poplars. However, the proportion of 13C in the soil of EM poplars was not significantly higher than that of Ni poplars, except for poplars colonized with C. geophilum. This study provides the first evidence that plant-derived P enters the soil and highlights the effects of EM colonization on the allocation of C, N and P within the plant-soil system.
Overall, this thesis underpins divergent effects of different EM species on poplar performance but discovered only few differences due to strain-specific effects. The most pronounced differences were observed between P. involutus- and C. geophilum-colonized poplar under well-watered and drought-stressed conditions. These results may hold a great promise for future management if the beneficial effects of both EM species can be realized in dual mycorrhizal plants.
Keywords: Mycorrhizae; Phosphorus; Drought
German
Nährstoffungleichgewichte und Trockenheit sind Herausforderungen, mit denen die Wälder der Welt derzeit aufgrund der sich massiv verändernden Umweltbedingungen konfrontiert sind. In den europäischen Wäldern nimmt die Phosphor (P) Versorgung aufgrund der zunehmenden anthropogenen N-Ablagerung und der Trockenheit ab. In gemäßigten europäischen Wäldern ist die Verbindung von Wurzeln mit Ektomykorrhizapilzen (EM) bei den meisten Baumarten üblich und wird als eine der wichtigsten Strategien zur Bewältigung von Nährstoffmangel und Trockenheit angesehen. Es gibt jedoch erhebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen EM-Taxa in Bezug auf die Nährstoff- und Wasserversorgung der Wirtsbäume, da EM-Pilze in ihren morphologischen Strukturen und physiologischen Merkmalen wie Hyphenmantelbildung, Entwicklung des Hartigschen Netzes, Art der Ausbreitung und genetisches Inventar für den Nährstofferwerb sehr unterschiedlich sind. Daher können verschiedene EM-Pilzarten, die denselben Wirtsbaum besiedeln, unterschiedliche Auswirkungen auf die Nährstoffversorgung, die Wachstumsmerkmale und die Trockenheitsresistenz haben. Darüber hinaus erwerben EM-Arten Kohlenhydrate von ihrem Wirt, die sie für ihren eigenen Stoffwechsel und ihr Wachstum nutzen und teilweise in den Boden absondern. Bislang wissen wir nur wenig darüber, wie die verschiedenen EM-Verbindungen das Wachstum und die Reaktion des Wirts auf Trockenheit beeinflussen und ob sie taxonspezifische Kohlenstoffsenken darstellen. Auch die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen, mit denen der Wirt auf die verschiedenen EM-Taxa reagiert, sind noch unklar.
In dieser Arbeit wurden fünf verschiedene EM-Stämme verwendet: Paxillus involutus (Batsch) Fr. (MAJ), Paxillus involutus (Batsch) Fr. (NAU), dikaryon Laccaria bicolor (S238N), monokaryon Laccaria bicolor CII-H82 (S238N) und Cenococcum geophilum Fr.. Die EM-Arten haben unterschiedliche Ausbreitungstypen (Kurz- und Langstrecken), weisen stammspezifische Unterschiede in Bezug auf die Bildung des Hartigschen Netzes zwischen den beiden ausgewählten Mitgliedern derselben Art auf und C. geophilum ist für seine Trockentoleranz bekannt. Die Graupappel (Populus x canescens) wurde als Wirtsbaumart verwendet, mit einer EM-Spezies überimpft und entweder nährstoffarmen oder Dürre-Bedingungen ausgesetzt, um zu vergleichen, wie verschiedene EM-Verbindungen die Nährstoffaufnahme, das Wachstum der Pappel und die Dürreresistenz beeinflussen. Darüber hinaus wurden die Pappelblätter mit einer Lösung markiert, die eine Mischung aus 13C, 15N und 33P enthielt, um das Verteilungsmuster von C, N und P innerhalb der Pflanzenkompartimente und des Bodens zu verfolgen. Die Studie war in die folgenden drei Forschungskapitel gegliedert:
Im ersten Kapitel wurden die taxonspezifischen Auswirkungen der EM-Pilze Paxillus involutus (MAJ und NAU) (Boletales, Langstrecken-Ausbreitungstypen) und Laccaria bicolor (Dikaryon und Monokaryon) (Agaricales, Kurzstrecken-Ausbreitungstypen) auf die P-Nutzungseffizienz und das Wachstum von Pappeln unter zwei P-Niveaus (hoch HP, niedrig LP) untersucht. Ich stellte die Hypothese auf, dass: (i) das Wachstum von mit EM-Pilzen überimpften Pappeln, im Vergleich zu nicht überimpften (NI) Pappeln, durch eine verbesserte P-Aufnahme stimuliert wird; (ii) die Wachstumsreaktionen von Pappeln auf die P-Verfügbarkeit bei verschiedenen EM-Arten und -Isolaten variieren. (iii) EM-Pilze verbessern die P-Aufnahme der Pappel, nicht aber die P-Nutzungseffizienz, so dass die P-Gewebekonzentrationen unabhängig von der P-Versorgung unbeeinflusst bleiben. HP führte zu größerem Wachstum und größerer Biomasseproduktion als LP-Bedingungen. Pappeln, die mit P. involutus (MAJ und NAU) und NI-Pflanzen besiedelt waren, zeigten ein größeres Wachstum und eine höhere Biomasseproduktion als solche, die mit L. bicolor dikaryon oder monokaryon verbunden waren. Die Netto-Photosynthese wurde durch alle getesteten EM-Arten unter HP stimuliert, nicht aber durch P. involutus unter LP-Bedingungen. Die P-Konzentrationen im Gewebe waren unter HP-Bedingungen höher als unter LP-Bedingungen und wurden von den EM-Taxa nicht beeinflusst. Die P-Verwertung für die Biomasseproduktion war bei LP-Pflanzen um 44 % höher als bei HP-Pflanzen, unabhängig von der EM-Art. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die verschiedenen EM-Arten die P-Nutzungseffizienz der Pappel nicht beeinträchtigten, was zu einer P-Homöostase bei einem bestimmten P-Niveau führte. Die Besiedlung mit P. involutus begünstigte das Wachstum der Pappel mehr als das von L. bicolor, aber nicht mehr als die NI-Bedingungen.
Im zweiten Kapitel wurde die molekulare und physiologische Leistung von Graupappeln (Populus x canescens), die entweder mit P. involutus (MAJ) oder C. geophilum kolonisiert sind, mit NI-Pappeln als Reaktion auf Trockenheit verglichen. Ich stellte die Hypothese auf, dass (i) verschiedene EM-Symbiosen entweder das Pflanzenwachstum oder die Stresstoleranz verbessern, was zu einem Kompromiss zwischen der Biomasseproduktion und der Aktivierung von Abwehrmechanismen unter gut bewässerten Bedingungen führt; (ii) eine Stressvorbereitung oder Vorakklimatisierung bei mykorrhizierten Pappeln diese trockenheitstoleranter macht als nicht-mykorrhizierte Pflanzen. Die Bodenfeuchtigkeit, das Pappelwachstum und das Wasserpotenzial der Blätter vor Sonnenaufgang wurden während der Trockenheit bei EM- und NI-Pappeln überwacht. Die Transkriptionsreaktionen wurden mittels RNAseq in Pappelblättern und Wurzeln untersucht. Die Besiedlung mit P. involutus stimulierte das Pappelwachstum unter gut bewässerten Bedingungen stark, führte jedoch zu einem drastischen Rückgang des Gasaustauschs, des Wasserpotenzials vor Sonnenaufgang und zu massivem Blattabwurf bei Trockenheit. Umgekehrt zeigten Pappeln, die mit C. geophilum kolonisiert waren, das geringste Wachstum unter stressfreien Bedingungen, aber ihre Photosynthese, ihr Wasserpotenzial vor Sonnenaufgang und ihre Blattflächen wurden durch Trockenheit nicht beeinträchtigt. Transkriptomanalysen bestätigten den Kompromiss zwischen Wachstum und Verteidigung unter gut bewässerten Bedingungen, was sich in einer Anreicherung von GO-Termini im Zusammenhang mit Kohlenhydraten und Stress bei P. involutus- bzw. C. geophilum-besiedelten Pappeln zeigte. Der geringere Trockenstress bei Pappeln, die mit C. geophilum kolonisiert sind, als bei solchen, die mit P. involutus kolonisiert sind, stand nicht mit der Regulierung putativer Pappel-Aquaporine in Zusammenhang, sondern mit der Aktivierung von Hitzeschockproteinen vor Trockenheit. Diese Ergebnisse bieten eine molekulare Grundlage für künftige Studien darüber, wie verschiedene EM-Symbiosen die physiologische und transkriptionelle Leistung von Holzgewächsen als Reaktion auf Trockenheit beeinflussen.
Im dritten Kapitel ging es darum, die Rhizodeposition von C, N und P aus Pappelwurzeln zu quantifizieren und die Rolle verschiedener EM-Pilze in diesem Prozess zu untersuchen. Nach der Markierung der Blätter wurden die Verteilungsmuster von 13C, 15N und 33P in den Pflanzenkompartimenten (Blätter, Stamm, Wurzeln) und im Boden verfolgt. Ich stellte die Hypothese auf, dass (i) C, N und P von den Blättern in die Wurzeln verlagert werden und im Boden nachgewiesen werden können; (ii) ein größerer Anteil der Ressourcen, insbesondere von C, von den Wurzeln der EM-Pappeln in den Boden verlagert wird als von den NI-Pappeln; (iii) die Anteile von C, N und P, die von den Pappelwurzeln in den Boden verlagert werden, zwischen den verschiedenen EM-Verbindungen variieren. 13C, 15N und 33P wiesen in den Pflanzengeweben unterschiedliche Verteilungsmuster auf. Im Boden wurde ein höherer Anteil an 13C als an 15N und 33P nachgewiesen. Mykorrhizierte Pappeln verteilten einen größeren Prozentsatz von 13C auf das Wurzelsystem als NI-Pappeln. Der Anteil von 13C im Boden von EM-Pappeln war jedoch nicht signifikant höher als der von NI-Pappeln, außer bei Pappeln, die mit C. geophilum besiedelt waren. Diese Studie liefert den ersten Beweis dafür, dass pflanzlicher P in den Boden gelangt, und verdeutlicht die Auswirkungen der EM-Besiedlung auf die Verteilung von C, N und P innerhalb des Pflanze-Boden-Systems.
Insgesamt untermauert diese Arbeit die unterschiedlichen Auswirkungen verschiedener EM-Spezies auf die Leistung von Pappeln, wobei nur wenige Unterschiede aufgrund stammspezifischer Effekte festgestellt wurden. Die deutlichsten Unterschiede wurden zwischen den mit P. involutus und C. geophilum besiedelten Pappeln unter gut bewässerten und trockenheitsgestressten Bedingungen beobachtet. Diese Ergebnisse könnten für die künftige Bewirtschaftung sehr vielversprechend sein, wenn die vorteilhaften Wirkungen beider EM-Arten in Pflanzen mit doppelter Mykorrhizierung realisiert werden können.
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11089
