Tracing soil carbon and nitrogen cycling in arbuscular and ectomycorrhizal systems

Titelangaben

Klink, Saskia:
Tracing soil carbon and nitrogen cycling in arbuscular and ectomycorrhizal systems.
Bayreuth , 2022 . - 226 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Summary The plant-soil-microbe system trades carbon (C) and nutrients and drives the storage or release of these compounds. The intimacy of mycorrhizal fungi with plants supports plant nutrient supply, contributes to soil organic matter (SOM) decomposition and formation. Dominant fungal guilds in temperate systems are arbuscular mycorrhizal (AM), ectomycorrhizal (ECM), and saprotrophic (SAP) fungi. While their disparate nutrient acquisition strategies affect nutrient cycling, SOM formation, and C and nutrient storage of the system, impacts of different fungal guilds on these processes remain obscure. Climate change will greatly affect plant-soil-microbe interactions. Increasing atmospheric carbon dioxide (CO2) enhances photosynthesis, simultaneously aggravating nutrient limitation and competition. Subsequently, changed environmental conditions favor invasive species spread, with unknown consequences for nutrient cycling dynamics. This thesis investigates (i) the role of different fungal guilds on C and nutrient cycling and SOM formation, (ii) the potential of different fungi for nutrient acquisition, and (iii) how impacts of climate change like elevated CO2 levels or plant invasion affect the plant-microbe-soil systems’ C and nutrient cycling dynamics. Stable isotopes possess source and process information, allowing to trace the origin and the fate of compounds in a system. This information was unknown for AM hyphae, thus in manuscript 1 a method to determine AM hyphal isotopic signatures was developed. AM hyphal 13C and 15N separated them from plant tissues and soil. A mixed C source of plant carbohydrates and lipids was deciphered, contrasting with current knowledge on the C-source of ECM fungi. Manuscript 2 used the application of manuscript 1 to analyze the contribution of fungal inputs to specific SOM fractions. Forest plots with dominant tree species associated with ECM or AM fungi were chosen. Main contributions of ECM fungi to stable SOM were predicted in ECM systems, and SAP fungi as major contributors in AM systems, the latter due to activation via AM exudates. The combination of a Bayesian Inference Stable Isotope Mixing model with amino sugar analyzes showed that particulate organic matter fractions were dominated by plant and SAP inputs for both tree species. More stable mineral-associated organic matter was dominated by SAP followed by ECM inputs irrespective of tree species. These findings highlight fungal inputs as dominant source of stable organic matter and a need to consider fungal communities for efforts to increase long-term soil C storage. Manuscript 3 investigated the degradative and nutrient trading potential of ECM fungi and sought to determine nitrogen (N) fractionations in the mycorrhizal nutrient trading. In microcosms, the trading of soil N to Pinus sylvestris was investigated for Paxillus involutus and Pisolithus arhizus with greater enzymatic repertoire relative to Laccaria laccata and Laccaria bicolor with lower degradative capability. Plant biomass was increased due to colonization by P. involutus, P. arhizus, and L. laccata but not by L. bicolor. Under N-limited conditions, P. involutus and P. arhizus tended to trade 15N-enriched N. Laccaria species differed in degradative capabilities and plant benefit. The results highlight the impact of disparate fungal species on SOM decomposition and a need to consider fungal community composition to predict nutrient cycling dynamics. Thus, manuscript 3 supports different ECM fungi varying in their efficiency in accessing nutrients via SOM decomposition and contributing to stable SOM via fungal inputs. Climate change impacts may affect the dynamics of plant-soil-microbe systems’ C and nutrient trading and storage. Invasive plant species benefit from conditions allowing spread and reproduction, dominating over native species. Despite threats by increased litter input rates and a preference to invade AM-associated systems, the magnitude and direction of invasive plant effects on AM- or ECM-systems are obscure. Manuscript 4 investigated the effect of invasive C4 grass Microstegium vimineum on SOM turnover in tree stands with AM- or ECM-association. Invasion by M. vimineum increased decomposition of SOM under ECM-associated trees but decreased decomposition under AM-associated trees. These results highlight the potential of invasive plant species to modify SOM decomposition and that despite more SOC in ECM topsoils, this C is more easily lost under changing environmental conditions. Impacts of nutrient limitation and plant-microbe competition under elevated CO2 were analyzed in manuscript 5. Elevated CO2 often results in growth benefits of plants and microbes but simultaneously aggravates nutrient limitation. Plants with varying microbial interactions to acquire nutrients were grown at ambient vs. elevated CO2 to evaluate trading of N from 15N labeled litter. Despite different microbial interactions to acquire nutrients, plants equally benefitted more from soil nutrients than soil microbes under elevated CO2. These results highlight the need to consider ecosystem constituents as interwoven when discussing measures to decelerate the impacts of climate change. Overall, this thesis highlights the need to consider mycorrhizal fungi for predicting ecosystems’ C and N cycling and storage patterns, and for developing plans to adapt environments for changing conditions.

Abstract in weiterer Sprache

Zusammenfassung Das Pflanze-Mikroben-Boden-System zirkuliert Kohlenstoff (C) und Nährstoffe und beeinflusst die Speicherung oder Freisetzung dieser Stoffe. Die Verbindung mit Mykorrhizapilzen verbessert den pflanzlichen Nährstoffbezug und trägt zu Abbau und Bildung organischer Bodensubstanz (OBS) bei. Dominate Pilzgruppen in temperaten Zonen sind arbuskuläre (AM) und ekto-Mykorrhiza (ECM) sowie saprotrophe (SAP) Pilze. Obwohl deren unterschiedliche Strategien zum Nährstoffgewinn Nährstoffkreislauf, -speicherung und OBS-Bildung beeinflussen, ist der Einfluss einzelner Pilzgruppen auf diese Prozesse unklar. Der Klimawandel hat großen Einfluss auf Pflanze-Mikroben-Boden-Interaktionen. Steigendes atmosphärisches Kohlendioxid (CO2) verbessert die Photosynthese, verstärkt dabei aber Nährstofflimitierung und Konkurrenz. Veränderte Umweltbedingungen fördern die Ausbreitung invasiver Arten mit unbekannten Folgen für Dynamiken des Nährstoffkreislaufes. Diese Arbeit untersucht (i) die Rolle unterschiedlicher Pilzgruppen für den C und Nährstoffkreislauf und die Bildung von OBS, (ii) das Nährstoffbezugspotenzial verschiedener Pilze, und (iii) wie Klimawandelfolgen, wie erhöhtes CO2 oder Pflanzeninvasionen, die Dynamiken von C und Nährstoffkreislaufen beeinflussen. Stabile Isotope beinhalten Quellen- und Prozessinformationen, womit der Ursprung und der Verbleib von Komponenten in einem System verfolgt werden kann. Diese Informationen waren für AM-Hyphen unbekannt, sodass in Manuskript 1 eine Methode zur Bestimmung der Isotopensignatur von AM-Hyphen entwickelt wurde. Die 13C- und 15N-Signatur der AM-Hyphen trennte diese von Pflanzen und Boden. Es wurde eine gemischte C-Quelle aus pflanzlichen Kohlenhydraten und Lipiden entschlüsselt, die im Gegensatz zum derzeitigen Wissen über die C Quelle von ECM-Pilzen steht. Manuskript 2 nutzte die Anwendung aus Manuskript 1 zur Analyse der Beiträge pilzlicher Einträge zu spezifischen OBS-Fraktionen. Für Plots mit ECM-assoziierten Bäumen wurde ein dominanter Beitrag von ECM-Pilzen zur stabilen OBS vorhergesagt, für AM-assoziierte ein dominanter Beitrag von SAP-Pilzen, aktiviert durch Exsudate von AM-Pilzen. Die Kombination eines Bayes’schen Mischungsmodells für stabile Isotope mit Aminozuckeranalysen zeigte dominante Einträge von Pflanze und SAP-Pilzen zur partikulären OBS für beide Bäume. Stabilere, mineralassoziierte OBS war für beide Bäume von SAP- und ECM-Pilzeinträgen bedingt. Dies zeigt die Bedeutung pilzlicher Quellen für stabile OBS und die Notwendigkeit Pilzgemeinschaften für Langzeitkohlenstoffspeicherung in Boden zu berücksichtigen. Manuskript 3 untersuchte das Abbau- und Nährstofftransferpotenzial von ECM-Pilzen, sowie Stickstoff (N-)Fraktionierungen im Mykorrhiza-Nährstofftransfer. Der Transfer von Boden-N zu Pinus sylvestris wurde für Paxillus involutus und Pisolithus arhizus mit größerer Abbaukapazität relativ zu Laccaria laccata und Laccaria bicolor mit geringerer Abbaufähigkeit untersucht. Pflanzenbiomasse nahm unter P. involutus, P. arhizus und L. laccata zu, nicht aber mit L. bicolor. Unter N-limitierten Bedingungen nutzten P. involutus und P. arhizus 15N-angereicherten N. Die Laccaria-Arten unterschieden sich in Abbaufähigkeiten und Pflanzenvorteilen. Die Ergebnisse verdeutlichen den Einfluss unterschiedlicher Pilze auf den OBS-Abbau und die Notwendigkeit, Pilzgemeinschaften für Vorhersagen zu Nährstoffdynamiken zu berücksichtigen. Somit bestätigt Manuskript 3, dass unterschiedliche ECM-Pilze in ihrer Effizienz Nährstoffe aus OBS Abbau zu beziehen und mit Einträgen zu stabiler OBS beizutragen variieren. Klimawandelfolgen beeinflussen die Nährstofftransfer- und Speicherungsdynamiken in Pflanze-Mikroben-Boden-Systemen. Invasive Pflanzen nutzen vorteilhafte Bedingungen zur Ausbreitung. Trotz Einflüssen durch erhöhten Streueintrag oder die vermehrte Invasion in AM-Systeme ist das Ausmaß der Effekte invasiver Pflanzen auf AM- und ECM-Systeme unklar. Manuskript 4 untersuchte Effekte des invasiven C4 Grases Microstegium vimineum auf AM- oder ECM-Bäume. Die Invasion mit M. vimineum erhöhte den OBS-Abbau bei ECM-Bäumen, verminderte ihn aber bei AM-Bäumen. Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial invasiver Arten den OBS-Abbau zu beeinflussen, und dass trotz eines höheren Boden-C-Gehaltes in ECM Oberböden dieses C leichter bei veränderten Umweltbedingungen verloren geht. Der Einfluss von Nährstoffmangel und Konkurrenz zwischen Pflanze und Mikrobe unter erhöhtem CO2 wurde in Manuskript 5 untersucht. Erhöhtes CO2 führt oft zu Wachstumsvorteilen von Pflanzen und Mikroben, gleichzeitig aber auch zu Nährstoffmangel. Pflanzen mit unterschiedlichen mikrobiellen Interaktionen zum Nährstoffgewinn wuchsen unter unverändertem und erhöhtem CO2, um den Transfer von N aus 15N-angereicherter Streu zu verfolgen. Trotz unterschiedlicher Interaktionen profitierten die Pflanzen unter erhöhtem CO2 mehr von Bodennährstoffen als die Bodenmikroben. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Vernetzung in Ökosystemen bei Maßnahmen zur Verringerung von Klimawandelfolgen berücksichtigt werden muss. Zusammenfassend unterstreicht diese Arbeit die Notwendigkeit, Mykorrhizapilze für Vorhersagen zum Umsatz und zur Speicherung von C und N in Ökosystemen, als auch für die Entwicklung von Plänen zur Steigerung der Ökosystemresilienz gegenüber veränderten Bedingungen, zu berücksichtigen.