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Kumar, Amit:
Plant-microbial interactions in the rhizosphere : root mediated changes in microbial activity and soil organic matter turnover.
Bayreuth
,
2018
. - XX, 154 S.
(
Dissertation,
2018
, Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
Volltext
Abstract
On a global scale, the soil is a principal repository of terrestrial carbon (C) in the form of soil organic matter (SOM) which is central to soil fertility and ecological functions. The presence of plants changes the SOM dynamics by interacting with soil microorganisms. Biological interactions in rhizosphere – the soil volume in the close vicinity of roots - are pivotal in governing key ecosystem processes such as primary productivity, decomposition of SOM, and nutrient mobilization/immobilization. The input of plant-derived organics via rhizodeposition fuels microorganisms by providing an easily utilizable source of energy and C. Simultaneously, there is strong competition between plants and microorganisms for nutrient acquisition in the rhizosphere affecting dynamics of SOM decomposition. These plant-mediated changes in SOM decomposition are widespread in all terrestrial ecosystems, but remains poorly understood.
In general, the focus of this research is to understand soil biogeochemical processes and their mechanisms in the rhizosphere of agricultural crops. More specifically, the thesis aims to understand SOM decomposition and nutrient cycling in the rhizosphere under field conditions. In this context, rhizosphere priming effects (RPE) – root-induced changes in rates of SOM decomposition through labile C input - and its dependence on soil mineral nutrient status were explored in an arable field with maize. To measure RPE we applied isotopic 13C natural abundance using C3-C4 vegetation change. The presence of maize roots increased SOM decomposition compared to the unplanted soils and the application of mineral N decreased the magnitude of priming suggesting nutrient availability modify the SOM decomposition via altering root and microbial activity (Kumar et al. 2016).
Further, the effect of roots on soil aggregate stability and associated enzyme activity (EA) were elucidated in field-grown maize to understand how plants control the microbial activities in distinct aggregate size classes (Kumar et al. 2017). Moreover, a field study was established to understand the effects of maize phenology and soil depth on EA (Kumar et al. in revision, Applied Soil Ecology). It was shown that EA, and hence rates of SOM decomposition are a function of root activity in addition to microbial biomass. From these studies, we concluded that root activity and microbial activation via root-derived organics are among the major factors governing SOM decomposition and nutrient cycling in the rhizosphere (Kumar et al. 2016 and 2017). Therefore, it becomes crucial to elucidate the effects of root activity and hence, various root traits, on SOM decomposition and nutrient turnover in agroecosystems. The plasticity in root traits in relation to soil nutrient and water limitation, herbivory, and interaction with soil fauna helps plant nutrient acquisition and maximize their growth and development. In response to nutrient shortage, plants manipulate their strategies to maximize the uptake; however, the explicit relationship between specific root trait and nutrient uptake is not fully understood. Therefore, our study focused on the root traits plasticity (morphological and biological trait) for plant phosphorus (P) acquisition in P limited soils and how the availability of P affects the response of such traits. We had an opportunity to understand the plants’ P uptake strategies through plasticity of root traits at three distinct plant growth stages (tillering, stem extension, maize heading) of maize. This study highlighted alternative mechanisms of maize for nutrient acquisition in absence of morphological trait (here root hairs). Shifts in root traits (increased root diameter and higher root mycorrhizal colonization by arbuscular mycorrhizal fungi) for P acquisition are important for maintaining plant growth in absence or poorly developed root hairs and under nutrient limitation (Kumar et al. in preparation).
Collectively, the above-mentioned investigations on plant-soil interactions underpin the idea that microbial mediated SOM decomposition and nutrient cycling in the rhizosphere is fueled by root-derived organics. Changes in EA activity as a function of plant developmental stage highlight plants’ regulatory mechanisms on microbial processes. Moreover, the importance of root traits in plant nutrient acquisition should be further understood. Shifts in root traits under environmental changes are important for plant nutrient uptake as well as in driving key ecosystem processes such as C and nutrient cycling. These mechanisms are central to the functioning of agroecosystems and highlight the needs of further research in rhizosphere ecology.
Abstract in weiterer Sprache
Im globalen Maßstab ist der Boden eine wesentliche Quelle von Kohlenstoff (C) in Form von organischer Bodensubstanz (OBS), die zentral für die Bodenfruchtbarkeit und für ökologische Funktionen ist. Pflanzen verändern die Dynamik des Abbaus der organischen Bodensubstanz durch Interaktionen mit Bodenmikroorganismen. Biologische Interaktionen in der Rhizosphäre – dem Bodenvolumen in enger Umgebung zu den Wurzeln – sind zentral für die Regulation von wichtigen Ökosystemprozessen wie der Primärproduktion, dem Abbau von OBS und der Nährstoffmobilisierung/-immobilisierung. Der Eintrag von pflanzlichen organischen Stoffen über Rhizodeposition aktiviert Mikroorganismen, indem eine leicht verwertbare Energie- und Kohlenstoffquelle bereitgestellt wird. Gleichzeitig existiert eine starke Konkurrenz zwischen Pflanzen und Mikroorganismen um die Nährstoffe in der Rhizosphäre, welche sich auf die Dynamik des Abbaus der OBS auswirkt. Diese durch Pflanzen vermittelten Änderungen im OBS-Abbau sind in allen terrestrischen Ökosystemen weit verbreitet, bislang aber unzureichend verstanden.
Im Fokus dieser Arbeit steht das Verständnis von biogeochemischen Prozessen im Boden und ihrer Mechanismen in der Rhizosphäre von landwirtschaftlichen Kulturpflanzen. Spezieller bezweckt diese Arbeit den Abbau von OBS sowie Nährstoffumsätze in der Rhizosphäre unter Freilandbedingungen zu verstehen. In diesem Zusammenhang wurden Rhizosphären-Priming-Effekte (RPE) - wurzelinduzierte Veränderungen in der Abbaurate der OBS durch Eintrag labilen Kohlenstoffes – und deren Abhängigkeit vom mineralischen Nährstoffgehalt des Bodens in einem landwirtschaftlichen Maisfeld untersucht. Um die RPE zu messen verwendeten wir natürliche Isotopenhäufigkeiten von 13C in Verbindung mit einem C3-C4 Vegetationswechsel. Das Vorhandensein von Maiswurzen führte zu einem erhöhten Abbau der OBS, der Zusatz von mineralischem N verminderte jedoch das Ausmaß des Primings. Dies lässt darauf schließen, dass die Nährstoffverfügbarkeit den Abbau von OBS über veränderte Aktivität der Wurzeln und der Mikroorganismen modifiziert (Kumar et al. 2016).
Zusätzlich wurde die Auswirkung von Wurzeln auf die Stabilität von Bodenaggregaten und auf die Aktivität assoziierter Enzyme (EA) an Proben aus dem Freiland untersucht, um zu verstehen, wie Pflanzen mikrobielle Aktivitäten in unterschiedlichen Aggregatgrößenklassen kontrollieren (Kumar et al. 2017). Weiterhin wurde eine Freilandstudie durchgeführt, um den Einfluss der Phänologie des Maises und der Bodentiefe auf die EA zu verstehen (Kumar et al. in revision, Applied Soil Ecology). Wir konnten gezeigen, dass EA, und somit die Abbaurate der OBS, nicht nur von der mikrobiellen Biomasse, sondern auch stark von der Wurzelaktivität abhängen.
Aus diesen Studien lässt sich schließen, dass die Wurzelaktivität und die mikrobielle Aktivierung durch wurzelbürtige organische Stoffe zu den Hauptfaktoren gehören, die den Abbau der OBS und die Nährstoffkreisläufe in der Rhizosphäre regulieren (Kumar et al. 2016 and 2017). Dadurch ergibt sich die Notwendigkeit die Einflüsse der Wurzelaktivität, und damit vielfältige Wurzeleigenschaften (traits), auf den Abbau der OBS und den Nährstoffumsatz in Agrarökosystemen weiter aufzuklären. Die Plastizität der Wurzeleigenschaften in Relation zu Nährstoff- und Wasserlimitierung in Böden, zu Herbivorie und zu Interaktionen mit der Bodenfauna begünstigt den Nährstofferwerb der Pflanze und maximiert ihr Wachstum und ihre Entwicklung. Als Antwort auf Nährstoffknappheit kann die Pflanze ihre Wurzeleigenschaften ändern um die Nährstoffaufnahme zu maximieren. jedoch ist der explizite Zusammenhang zwischen spezifischen Wurzeleigenschaften und der Nährstoffaufnahme noch wenig erforscht. Daher fokussierte sich unsere Studie auf die Plastizität morphologischer und biologischer Wurzeleigenschaften (root traits) für die Phosphat- (P) Aufnahme der Pflanze aus Böden mit unterschiedlicher P-Verfügbarkeit. Wir hatten die Möglichkeit die pflanzlichen P-Aufnahmestrategien im Bezug auf die Plastizität der Wurzeleigenschaften zu drei verschiedenen Wachstumsstadien (Blattentwicklung, Längenwachstum, Rispenschieben) von Mais zu untersuchen. Diese Studie konnte alternative Mechanismen des Maises zum Nährstofferwerb in Abwesenheit von morphologischen Eigenschaften (hier Wurzelhaare) zeigen. Veränderungen der Wurzeleigenschaften (zunehmender Wurzeldurchmesser und höhere Kolonisation der Wurzel mit arbuskulären Mykorrhizapilzen) für den P-Erwerb stellen sich als wichtig für den Erhalt des Pflanzenwachstums in Abwesenheit oder bei schlecht entwickelten Wurzelhaaren sowie unter Nährstofflimitierung dar (Kumar et al. in preparation).
Zusammenfassend untermauern die oben genannten Untersuchungen zu Pflanzen-Boden-Interaktionen die Annahme, dass der mikrobielle Abbau der OBS und die Nährstoffkreisläufe in der Rhizosphäre durch wurzelbürtigen organischen Kohlenstoff verstärkt werden. Änderungen der Enzymaktivität in Abhängigkeit vom pflanzlichen Entwicklungsstadium verdeutlichten regulatorische Mechanismen der Pflanze auf mikrobielle Prozesse. Weiterhin wurde die Bedeutung der Wurzeleigenschaften für den pflanzlichen Nährstofferwerb genauer analysiert. Anpassungen der Wurzeleigenschaften (root traits) unter Umweltveränderungen sind bedeutsam für die pflanzliche Nährstoffaufnahme aber auch treibende Kraft für wichtige Ökosystemprozesse wie C- und Nährstoffkreisläufe. Diese Mechanismen sind zentral für die Funktionalität von Agrarökosystemen und untermauern die Notwendigkeit für weitere Forschung in der Rhizosphärenökologie.