Assembly of root-associated fungi in different soil layers and nitrogen uptake by ectomycorrhizae in temperate forests

by Anis Mahmud Khokon
Doctoral thesis
Date of Examination:2021-07-01
Date of issue:2021-07-30
Advisor:Prof. Dr. Andrea Polle
Referee:Prof. Dr. Andrea Polle
Referee:Prof. Dr. Christian Ammer
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8764

 

 

Files in this item

Name:edis_PhD Thesis_Anis Mahmud Khokon.pdf
Size:5.68Mb
Format:PDF
Description:PhD thesis_Anis Mahmud Khokon

The following license files are associated with this item:

Abstract

English

Fungi are a remarkably highly diverse group of organisms on Earth, playing a pivotal role in ecosystem functioning. Belowground, they act as decomposers, pathogens or symbionts. Members of these functional categories are colonizing roots and have been defined as root-associated fungi. The abundance and distribution patterns of fungal communities are determined by various environmental factors, including soil and root properties, vegetation and climatic conditions. Soil fungal communities are known to be vertically stratified across different soil layers but our knowledge about root-associated fungal assemblages in different soil layers is still limited. Ectomycorrhizal fungi are an important functional group in the root-associated fungal assemblage that can enhance host nutrient uptake. Nitrogen (N) is an essential nutrient for plant growth but often a growth-limiting factor in temperate forest ecosystems. To date, functional diversity of ectomycorrhizal fungi for plant N uptake under natural forest system is not fully understood. Here, I studied the vertical differentiation of root-associated fungi in the organic layer (Oe and Oa) and mineral topsoil (0-10 cm) under the framework of the Biodiversity Exploratories that includes 150 experimental forest plots across three biogeographical regions in Germany. These three biogeographic regions are located in the Schwäbische Alb in south-western, Hainich-Dün in central and Schorfheide-Chorin in north-eastern Germany. Furthermore, I used beech (Fagus sylvatica) as a host to investigate the contribution of distinct ectomycorrhizal fungal taxa in their natural assemblage for N uptake. This thesis is structured in three main research chapters. Chapter one aimed to enhance our understanding of fungal niche partitioning by studying commonalities and differences of assembly processes of root-associated fungi in the organic layer and mineral topsoil. I hypothesised that: i) species richness and relative abundance of symbiotrophic fungi are higher than those of saprotrophic fungi, irrespective of the soil layer; ii) the taxonomic community composition of symbiotrophic and saprotrophic fungi differ significantly between the organic layer and mineral soil and shows lower turnover for symbiotrophic than for saprotrophic fungi between the soil layers; iii) root-associated fungal patterns indicate selection either to soil strata or to climatic-edaphic factors. The results revealed a clear separation of root-associated fungal community composition between soil layers. Saprotrophic fungi showed the highest richness in organic layer and symbiotrophic in mineral soil. Still, symbiotrophic fungi exhibited higher relative sequence abundances than saprotrophic fungi in both soil layers. β-diversity of root-associated fungi was mainly due to turnover between the organic layer and mineral soil and showed regional differences for symbiotrophic and saprotrophic fungi. Regional differences were also found for different phylogenetic levels, i.e., fungal orders and indicator species in the organic layer and mineral soil, supporting that habitat conditions strongly influence the differentiation of root-associated fungal assemblages. Important exceptions were fungal orders that occurred irrespective of the habitat conditions in distinct soil layers across the biogeographic gradient: Russulales and Cantharellales (ectomycorrhizal fungi) were enriched in root-associated fungal assemblages in mineral soil, whereas saprotrophic Polyporales and Sordariales and ectomycorrhizal Boletales were enriched in the organic layer. These results underpin phylogenetic signature for niche partitioning at the rank of fungal orders and suggest that root-associated fungal assembly entails two strategies encompassing flexible and territorial habitat colonization by different fungal taxa. Chapter two aimed to uncover the environmental factors that drive root-associated fungi in the organic layer and mineral soil. Soil and root chemistry as well as tree species were included as potential environmental factors in the analyses. I tested the following hypotheses in the organic layer and mineral topsoil separately: i) tree species identity influences symbiotrophic fungal richness due to fungal host preferences but not that of saprotrophic fungal richness; therefore symbiotrophic fungal richness increases with tree species richness, while saprotrophic fungi remain unaffected; ii) symbiotrophic fungal richness increases with increasing root nutrient resources, while saprotrophic fungal richness increases with soil nutrient resources. The results revealed that tree species richness positively influenced the richness of all fungi, symbiotrophic and saprotrophic in mineral soil but not in the organic layer. Among the tree species, only Tilia showed significant influence on saprotrophic fungal richness in the organic layer. In contrast, Fagus sylvatica, Fraxinus excelsior, Picea abies and Quercus robur showed significant positive effect on symbiotrophic and Fraxinus excelsior on saprotrophic fungal richness in mineral soil. Root and soil resource index showed positive relationships with the richness of symbiotrophic and saprotrophic fungi in mineral soil. Variance partitioning showed that only 5% of the variation was explained for symbiotrophic and saprotrophic fungal richness in the organic layer but about 68% was explained for symbiotrophic richness and 24% for saprotrophic richness in the mineral soil with the significant contributions of the variables soil resource index, root resource index, tree species richness and main tree species on the plot. Overall, these results suggest that the relationship of root-associated fungal richness with vegetation and nutrient resources vary in different habitat conditions. Forest floor strongly overrules the effects of tree species and nutrient resources on root-associated fungal richness in temperate forests. Chapter three aimed to investigate whether functional diversity of ectomycorrhizal fungi determines beech N uptake in temperate forest. I tested the following hypotheses: i) ectomycorrhizal taxon-specific identity drives beech N uptake; alternatively, ectomycorrhizal fungal diversity plays a significant role in beech N uptake (ii) intraspecific 15N enrichment of ectomycorrhizal fungal species shows significant differences for NH4+ and NO3-. The results indicated that both beech ectomycorrhizal root tips and root segments do not discriminate between the offered inorganic N sources. NH4+ derived 15N was always more enriched compared to NO3- derived 15N in ectomycorrhizal root tips and beech root segments. Significant differences in interspecific 15N enrichment occurred among different ectomycorrhizal fungal species for both NH4+ and NO3-. Despite a strong interspecific variation in 15N enrichment among the ectomycorrhizal fungi species, no species were identified that had substantial effects on beech N uptake but beech root N uptake increased with increasing ectomycorrhizal fungal diversity. Overall, these results suggest that it is more beneficial for beech N uptake to have a high diversity of ectomycorrhizal fungi than few species fostering high N uptake.
Keywords: Forest Ecology; Microbiology; Biodiversity; Fungal diversity; Ectomycorrhizal fungi; Plant N uptake; Temperate forest; Root fungi in different soil layers

German

Pilze sind eine bemerkenswert vielfältige Gruppe von Organismen auf der Erde, die eine zentrale Rolle für das Funktionieren von Ökosystemen spielen. Unterirdisch agieren sie als Zersetzer, Krankheitserreger oder Symbionten. Mitglieder dieser Funktionskategorien besiedeln Wurzeln und wurden als wurzelassoziierte Pilze definiert. Die Abundanz und die Verteilungsmuster von Pilzgemeinschaften werden durch verschiedene Umweltfaktoren bestimmt, darunter Boden- und Wurzeleigenschaften, Vegetation und klimatische Bedingungen. Es ist bekannt, dass Pilzgemeinschaften im Boden über verschiedene Bodenschichten hinweg vertikal verteilt sind, aber unser Wissen über wurzelassoziierte Pilzgemeinschaften in verschiedenen Bodenschichten ist noch begrenzt. Ektomykorrhizapilze sind eine wichtige funktionelle Gruppe in der wurzelassoziierten Pilze, die die Nährstoffaufnahme des Wirts verbessern kann. Stickstoff (N) ist ein essentieller Nährstoff für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen, aber oft ein limitierender Faktor in Waldökosystemen. Bis heute ist die funktionelle Diversität von Ektomykorrhizapilzen für die pflanzliche N-Aufnahme in natürlichen Waldsystemen nicht vollständig verstanden. Hier habe ich die vertikale Differenzierung von wurzelassoziierten Pilzen in der organischen Schicht (Oe und Oa) und im mineralischen Oberboden (0-10 cm) im Rahmen der Biodiversitätsexploratorien untersucht, die 150 Waldparzellen in drei biogeographischen Regionen in Deutschland umfassen. Diese Regionen befinden sich auf der Schwäbischen Alb im Südwesten, im Hainich-Dün in der Mitte und in der Schorfheide-Chorin im Nordosten Deutschlands. Außerdem habe ich Buche (Fagus sylvatica) als Wirt verwendet, um den Beitrag verschiedener Ektomykorrhizapilz-Taxa in ihrer natürlichen Zusammensetzung zur N-Aufnahme zu untersuchen. Diese Arbeit ist in drei Hauptforschungskapitel gegliedert. Kapitel eins zielte darauf ab, unser Verständnis der Nischenaufteilung von Pilzen zu verbessern, indem ich Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Zusammensetzungsprozesse von wurzelassoziierten Pilzen im organischen und mineralischen Oberboden untersuchte. Ich stellte die Hypothese auf, dass: i) der Artenreichtum und die relative Abundanz symbiotischer Pilze höher sind als die saprotropher Pilze, unabhängig von der Bodenschicht; ii) die taxonomische Gemeinschaftszusammensetzung symbiotischer und saprotropher Pilze sich signifikant zwischen organischer Schicht und Mineralboden unterscheidet und einen geringeren Umsatz für symbiotrophe als für saprotrophe Pilze zwischen den Bodenschichten zeigt; iii) wurzelassoziierte Pilzmuster weisen auf eine Selektion entweder auf Bodenschichten oder auf klimatisch-edaphische Faktoren hin. Die Ergebnisse zeigten eine klare Trennung der Zusammensetzung der Wurzel-assoziierten Pilzgemeinschaft zwischen den Bodenschichten. Saprotrophe Pilze zeigten die höchste Abundanz in organischen und symbiotrophe in mineralischen Böden. Dennoch wiesen symbiotrophe Pilze in beiden Bodenschichten höhere relative Sequenzhäufigkeiten auf als saprotrophe Pilze. Die β-Diversität der wurzelassoziierten Pilze war hauptsächlich auf den Umsatz zwischen organischem und mineralischem Boden zurückzuführen und zeigte regionale Unterschiede für symbiotrophe und saprotrophe Pilze. Regionale Unterschiede wurden auch für verschiedene phylogenetische Ebenen, d.h. Pilzordnungen und Indikatorarten im organischen und mineralischen Boden gefunden, was dafür spricht, dass die Habitatbedingungen die Differenzierung der wurzelassoziierten Pilzgefüge stark beeinflussen. Wichtige Ausnahmen waren Pilzordnungen, die unabhängig von den Habitatbedingungen in verschiedenen Bodenschichten über den biogeographischen Gradienten hinweg auftraten: Russulales und Cantharellales (Ektomykorrhizapilze) waren in wurzelassoziierten Pilzgefügen in Mineralböden angereichert, während saprotrophe Polyporales und Sordariales und ektomykorrhizierende Boletales in der organischen Schicht angereichert waren. Diese Ergebnisse untermauern die phylogenetische Signatur für die Nischenaufteilung auf der Ebene der Pilzordnungen und deuten darauf hin, dass wurzelassoziierte Pilzansammlungen zwei Strategien beinhalten, die eine flexible und territoriale Habitatbesiedlung durch verschiedene Pilztaxa umfassen. Kapitel zwei zielte darauf ab, die Umweltfaktoren aufzudecken, die wurzelassoziierte Pilze in den organischen Schichten und im Mineralboden antreiben. Die Boden- und Wurzelchemie sowie die Baumart wurden als potenzielle Umweltfaktoren in die Analysen einbezogen. Ich testete die folgenden Hypothesen in der organischen Schicht und im mineralischen Oberboden getrennt: i) die Baumartenidentität beeinflusst den symbiotrophen Pilzreichtum aufgrund der Wirtspräferenzen der Pilze, nicht aber den saprotrophen Pilzreichtum; daher steigt der symbiotrophe Pilzreichtum mit dem Baumartenreichtum, während der saprotrophe Pilzreichtum unbeeinflusst bleibt; ii) der symbiotrophe Pilzreichtum steigt mit zunehmenden Nährstoffressourcen der Wurzeln, während der saprotrophe Pilzreichtum mit den Nährstoffressourcen des Bodens steigt. Die Ergebnisse zeigten, dass der Baumartenreichtum den Reichtum aller Pilze, symbiotropher und saprotropher, im Mineralboden positiv beeinflusst, nicht aber in der organischen Schicht. Unter den Baumarten zeigte nur Tilia einen signifikanten Einfluss auf den saprotrophen Pilzreichtum in der organischen Schicht. Im Gegensatz dazu zeigten Fagus sylvatica, Fraxinus excelsior, Picea abies und Quercus robur einen signifikant positiven Effekt auf den symbiotrophen und Fraxinus excelsior auf den saprotrophen Pilzreichtum im Mineralboden. Wurzel- und Bodenressourcenindex zeigten positive Beziehungen mit dem Reichtum an symbiotrophen und saprotrophen Pilzen im Mineralboden. Die Varianzaufteilung zeigte, dass nur 5% der Variation für den Reichtum an symbiotrophen und saprotrophen Pilzen in der organischen Schicht erklärt wurde, aber 68% für den Reichtum an symbiotrophen Pilzen und 24% für den Reichtum an saprotrophen Pilzen in der mineralischen Schicht mit den signifikanten Beiträgen der Variablen Bodenressourcenindex, Wurzelressourcenindex, Baumartenreichtum und Baumidentität. Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Beziehung zwischen dem Reichtum an wurzelassoziierten Pilzen und den Vegetations- und Nährstoffressourcen in verschiedenen Habitatbedingungen variiert. Der Waldboden setzt die Auswirkungen von Baumarten und Nährstoffressourcen auf den wurzelassoziierten Pilzreichtum in gemäßigten Wäldern außer Kraft. In Kapitel drei sollte untersucht werden, ob die funktionelle Diversität von Ektomykorrhizapilzen die N-Aufnahme von Buchen in gemäßigten Wäldern bestimmt. Ich testete die folgenden Hypothesen: i) Ektomykorrhiza-Taxon-spezifische Identität treibt die N-Aufnahme der Buche an; alternativ spielt die Ektomykorrhiza-Pilz-Diversität eine signifikante Rolle bei der N-Aufnahme der Buche; ii) intraspezifische 15N-Anreicherung der Ektomykorrhiza-Pilzarten zeigt signifikante Unterschiede für NH4+ und NO3-. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl ektomykorrhizischen Wurzelspitzen als auch Wurzelsegmente nicht zwischen den angebotenen anorganischen N-Quellen unterscheiden. NH4+ abgeleitetes 15N war in den ektomykorrhizischen Wurzelspitzen und Buchen wurzelsegmenten immer stärker angereichert als NO3- abgeleitetes 15N. Signifikante Unterschiede in der interspezifischen 15N-Anreicherung traten zwischen verschiedenen Ektomykorrhiza-Pilzarten sowohl für NH4+ als auch für NO3- auf. Trotz einer starken interspezifischen Variation in der 15N-Anreicherung unter den Ektomykorrhizapilzarten wurden keine Arten identifiziert, die wesentliche Auswirkungen auf die N-Aufnahme der Buche hatten, aber die N-Aufnahme der Buchenwurzeln stieg mit zunehmender Ektomykorrhizapilz-Diversität. Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass es für die N-Aufnahme der Buche vorteilhafter ist, eine hohe Diversität an Ektomykorrhizapilzen zu haben als wenige Arten, die eine hohe N-Aufnahme fördern.
 
Statistik