Rhizodeposition and biotic interactions in the rhizosphere of Phaseolus vulgaris L. and Hordeum vulgare L.

Haase, Susan

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Haase, Susan

Rhizodeposition and biotic interactions in the rhizosphere of Phaseolus vulgaris L. and Hordeum vulgare L.

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URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-2487
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SWD-Schlagwörter:

Rhizosphäre , Gerste , Bohne

Freie Schlagwörter (Deutsch):

Rhizodeposition , erhöhte atmosphärische CO2 Konzentration , Rhizosphären-Mikroorganismen , Herbivorie , Nematoden

Freie Schlagwörter (Englisch):

rhizodeposition , elevated atmospheric CO2 concentration , rhizosphere microorganisms , herbivory , nematodes

Institut:

Institut für Bodenkunde und Standortslehre

Fakultät:

Fakultät Agrarwissenschaften

DDC-Sachgruppe:

Landwirtschaft, Veterinärmedizin

Dokumentart:

Dissertation

Hauptberichter:

Kandeler, Ellen Prof. Dr.

Sprache:

Englisch

Tag der mündlichen Prüfung:

11.01.2008

Erstellungsjahr:

2008

Publikationsdatum:

07.04.2008

Lizenz:

Veröffentlichungsvertrag mit der Universitätsbibliothek Hohenheim ohne Print-on-Demand

Kurzfassung auf Englisch:

Biochemical processes at the soil-plant interface are largely regulated by organic and inorganic compounds released by roots and microorganisms. Several abiotic and biotic factors are suspected to stimulate rhizodeposition and, thus, contribute to enriching of the rhizosphere with plant-derived compounds. This thesis focused on the effects of two factors, (i) the elevation of atmospheric CO2 concentration accompanied by nutrient limitation in the soil and (ii) low-level root infestation by plant-parasitic nematodes, on the quantity and quality of rhizodeposits with consequences for plant-nutrient acquisition and plant-microbial interactions in the rhizosphere. Experiments were largely conducted in mini-rhizotrones, which allowed a localized collection of rhizodeposits and rhizosphere soil along single roots.
Since the beginning of the industrial revolution atmospheric CO2 concentrations have been steadily increasing. This probably impacts terrestrial ecosystems by stimulating plant photosynthesis and belowground allocation of the additional fixed C. Increased root exudation, promoting rhizosphere microbes, has been hypothesized as a possible explanation for the lower plant N nutritional status under elevated CO2, due to enhanced plant-microbial N competition. Legumes may counterbalance the enhanced N requirement by increased symbiotic N2 fixation. The effects of elevated CO2 on factors determining this symbiotic interaction were assessed in Phaseolus vulgaris L. grown under limited or sufficient N supply and ambient or elevated CO2 concentration. Elevated CO2 reduced N tissue concentrations but did not affect plant biomass production. 14CO2 pulse-labelling revealed no indication for a general increase in root exudation by the whole root system, which might have forced N-competition in the rhizosphere under elevated CO2. However, a CO2-induced stimulation in the exudation of sugars and malate, a chemoattractant for rhizobia, was detected in apical root zones, as potential infection sites. In nodules, elevated CO2 increased the accumulation of malate as a major C source for the microsymbiont and of malonate, with functions in nodule development. Nodule biomass was also enhanced. Moreover, the release of nod-gene-inducing flavonoids was stimulated under elevated CO2, suggesting a selective stimulation of factors involved in establishing the Rhizobium symbiosis.
Since elevated-CO2-mediated effects on exudation by Phaseolus vulgaris L. are restricted to root apices, the abundance and function of the soil microbial community were investigated at two levels of spatial resolution to assess the response of microorganisms in the rhizosphere of the whole root system and in apical root zones to elevated CO2 and different N supply. At the coarser resolution, the microbial community did not respond to CO2 elevation because the C flux from the whole root system into soil did not change. At the higher spatial resolution, the CO2-mediated enhanced root exudation from root apices led to higher enzyme activities of the C and N cycle in the adhering soil at an early stage of plant growth. At later stages, however, enzyme activities decreased under elevated CO2. This might reflect a shift in microbial C usage from the decay of polymers towards soluble carbohydrates derived from increased root exudation. CO2 elevation or N supply did not affect the abundance of total and denitrifying bacteria in rhizosphere soil of apical root zones. Thus, the microbial community in the rhizosphere of bean plants responded to elevated CO2 by altered enzyme regulation and not by enhanced growth.
Beyond N, plants and microorganisms may also compete for micronutrients such as Fe in the rhizosphere. Hordeum vulgare L., a model plant with high secretion of phytosiderophores (PS) under Fe limitation, was investigated to assess the effects of elevated CO2 on PS release, Fe acquisition and potential impacts on rhizosphere microbial communities. Experiments were conducted in hydroponics and soil culture with or without Fe-fertilization and ambient or elevated CO2 concentration. Elevated CO2 stimulated biomass production of Fe-sufficient and Fe-deficient plants in both culture systems. Secretion of PS in apical root zones of N deficient plants increased strongly under elevated CO2 in hydroponics, but no PS were detectable in root exudates from soil-grown plants. However, higher Fe shoot-contents of plants grown in soil culture without Fe supply suggest an increased efficiency for Fe acquisition under elevated CO2. Despite the evidence for altered PS secretion under elevated CO2, no significant influence on rhizosphere-bacterial communities was detected.
Low-level herbivory by parasitic nematodes is thought to induce leakage of plant metabolites from damaged roots, which can foster microorganisms. Other factors such as alterations in root exudation or morphology in undamaged roots, caused by nematode-host interactions were almost not considered yet. Hordeum vulgare L. was inoculated with 0, 2000, 4000 or 8000 root-knot nematodes (Meloidogyne incognita) for 4 weeks. In treatments with 4000 nematodes, shoot biomass, total N and P content increased by the end of the experiment. One week after inoculation, greater release of sugars, carboxylates and amino acids from apical root zones indicates leakage from this main nematode penetration site. Low levels of root herbivory stimulated root hair elongation in both infected and uninfected roots. This probably contributed to the increased sugar exudation in uninfected roots in all nematode treatments at three weeks after inoculation. Root-knots formed a separate microhabitat within the root system. They were characterised by decreased rhizodeposition and an increased fungal to bacterial ratio in the surrounding soil. This study provides evidence that, beside leakage, low-level root herbivory induces local and systemic effects on root morphology and exudation, which in turn may affect plant performance and competition.
In conclusion, this thesis extends our knowledge about the potential impact of two different plant-growth-affecting factors on rhizosphere processes, particularly at the small scale and is, thus, interesting for future assessment of management strategies in agriculture under global climate change.

Kurzfassung auf Deutsch:

Biochemische Prozesse in der Rhizosphäre werden in hohem Maße durch organische und anorganische Verbindungen, welche passiv und/oder aktiv von Pflanzenwurzeln abgegeben werden, gesteuert. Dieser als Rhizodeposition bekannte Prozess kann durch verschiedene abiotische und biotische Faktoren stimuliert werden, was eine Anreicherung der Rhizosphäre mit leicht verfügbaren, pflanzenbürtigen Verbindungen zur Folge hat. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Faktoren (i) erhöhte atmosphärische CO2-Konzentration gekoppelt mit einer Limitierung verschiedener Nährstoffe im Boden und (ii) geringer Befall durch pflanzen-parasitische Nematoden auf die Menge und Zusammensetzung der Rhizodeposition. Weiterhin werden mögliche Effekte auf die pflanzliche Nährstoffaneignung und die Interaktionen zwischen Pflanze und Mirkoorganismen in der Rhizosphäre näher beleuchtet. Die Arbeit umfasst vier Fall-Studien in denen Pflanzen in Wurzelkästen (Mini-Rhizotronen) kultiviert wurden. Die Verwendung dieser Kultivierungssysteme ermöglicht eine lokalisierte Sammlung von Rhizodepositen und Rhizosphärenboden entlang einzelner Wurzeln.
Seit Beginn der ?Industriellen Revolution? sind die CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre durch menschliche Aktivitäten stetig angestiegen, was auch Auswirkungen auf terrestrische Ökosysteme haben kann. Diese umfassen unter anderem eine Stimulierung der Photosynthese und eine verstärkte Verlagerung des zusätzlich fixierten C in die Wurzeln, was zu erhöhter Wurzelexsudation führen kann. Eine verstärkte Exsudation kann mikrobielles Wachstum in der Rhizosphäre fördern und damit die Konkurrenz um Nährstoffe wie N zwischen Pflanzen und Mikroorganismen verstärken. Dies stellt eine mögliche Erklärung für den schon in früheren Studien beobachteten, geringeren N-Ernährungsstatus von Pflanzen unter erhöhten CO2-Konzentrationen dar. Leguminosen sind in der Lage, diesen erhöhten N-Bedarf durch gesteigerte, symbiotische N2-Fixierung unter ?hoch-CO2? auszugleichen. Es ist jedoch bisher unbekannt, inwieweit sich eine ?CO2-Erhöhung? auf Faktoren, welche zur Stimulierung dieser Symbiose beitragen können, auswirkt. In der ersten Studie wurden daher die Effekte von erhöhter CO2-Konzentration auf mögliche Einflussfaktoren untersucht. Als Modellpflanze wurde Bohne (Phaseolus vulgaris L.) ausgewählt, da sie ein gut charakterisiertes Muster von Wurzelexsudaten (Flavonoide und Carboxylate), welche Signalverbindungen bei der Induzierung der symbiotischen N2-Fixierung sind, aufweist. Die Pflanzen wurden unter zwei N-Düngungsniveaus (limitierende und ausreichende N-Zugabe) sowie unter ambienter (400 µmol mol-1) oder erhöhter (800 µmol mol-1) CO2-Konzentration kultiviert. ?Hoch-CO2? führte zu reduzierten N Spross- und Wurzelkonzentrationen, hatte aber keinen Effekt auf die pflanzliche Biomasseproduktion. Die Ergebnisse eines 14CO2-?Tracer?-Markierungsexperimentes zeigten keinen generellen Anstieg der Wurzelexsudation von der Gesamtwurzel unter erhöhter CO2-Konzentration, welcher zu einer verstärkten Nährstoffkonkurrenz zwischen Pflanzen und Mikroorgansimen in der Rhizosphäre hätte führen können. Jedoch stimulierte ?hoch-CO2? die Exsudation von Zucker und Malat, einer Locksubstanz für Rhizobien, in der apikalen Wurzelzone, den potenziellen Infektionsort für Rhizobien. Im Knöllchen-Gewebe waren unter ?erhöhtem CO2? die Konzentrationen von Malat, die Haupt-C-Quelle des Mikro-Symbionten, und Malonat, was Funktionen bei der Knöllchenentwicklung hat, erhöht. Entsprechend war auch die Anzahl und Biomasse der Knöllchen erhöht. Darüber hinaus führte ?hoch-CO2? zu einer verstärkten Exsudation von nod-Gen induzierenden Flavonoiden, was ebenfalls auf eine selektive Stimulierung der Rhizobien-Symbiose hinweist.
Aufgrund der Beobachtung aus der ersten Studie, dass sich die ?CO2-Effekte? auf die Wurzelexsudation bei Bohne auf den apikalen Wurzelraum beschränken, wurde in der zweiten Studie die Abundanz und Funktion der mikrobiellen Rhizosphärengemeinschaft auf zwei unterschiedlichen, räumlichen Ebenen untersucht. Dazu wurden die Reaktionen der Mikroorganismen auf erhöhte CO2-Konzentration und zwei N-Düngungsstufen in der Rhizosphäre des gesamten Wurzelraumes sowie im Bereich der apikalen Wurzelzone untersucht. Die erhöhte CO2-Konzentration hatte keinen Einfluss auf die mikrobielle Gemeinschaft in der Rhizosphäre des gesamten Wurzelraumes, was auf die unveränderte C-Exsudation der Gesamtwurzel zurückzuführen ist. Die durch ?CO2-Erhöhung? verstärkte Exsudation in der apikalen Wurzelzone führte aber zu höheren Enzymaktivitäten des C- und N-Kreislaufes im apikalen Rhizosphärenboden. Jedoch waren zu einem späteren Entwicklungsstadium der Pflanzen diese Enzymaktivitäten unter ?hoch-CO2? erniedrigt. Dies könnte eine Verschiebung der mikrobiellen C Nutzung aus dem Abbau von Polymeren hin zur vermehrten mikrobiellen Aufnahme von leicht verfügbaren Kohlenhydraten aus verstärkter Wurzelexsudation widerspiegeln. Weder ?CO2-Erhöhung? noch N-Zugabe hatten einen Effekt auf die Abundanz der gesamten sowie der denitrifizierenden Bakteriengemeinschaft im apikalen Rhizosphärenboden. Es lässt sich daher festhalten, dass die mikrobielle Gemeinschaft in der Rhizosphäre auf eine Erhöhung der CO2-Konzentration mit einer Regulation von Enzymen (Produktion und Aktivität) und nicht mit verstärktem Wachstum reagierte.
Neben N, können Pflanzen und Mikroorganismen in der Rhizosphäre auch um Mikro-Nährstoffe wie Fe konkurrieren. In der dritten Studie wurde Gerste (Hordeum vulgare L.) als Modellpflanze, welche unter Fe-Mangel verstärkt Fe mobilisierende Phytosiderophore (PS) abgibt, ausgewählt. Ziel war es, die Auswirkungen einer erhöhten CO2-Konzentration auf die PS-Abgabe, die pflanzliche Fe-Aneignung und mögliche Effekte auf die mikrobielle Rhizosphärengemeinschaft zu untersuchen. Dazu wurde Gerste mit oder ohne Fe-Düngung sowie unter ambienter (400 µmol mol-1) oder erhöhter (800 µmol mol-1) CO2-Konzentration in Nährlösung oder kalkhaltigem Boden kultiviert. In beiden Kultivierungssystemen stimulierte ?hoch-CO2? die Biomasseproduktion sowohl von Pflanzen, die ausreichend mit Fe versorgt waren, als auch von Fe-Mangel Pflanzen. Außerdem wurde beobachtet, dass ?erhöhtes CO2? zu einem starken Anstieg der PS-Abgabe in der apikalen Wurzelzone der Fe-Mangel Pflanzen aus hydroponischer Kultur führt. Es konnte aber keine PS-Abgabe der im Boden gewachsenen Pflanzen nachgewiesen werden. Jedoch zeigten die Fe-Mangel Pflanzen aus Bodenkultur höhere Fe-Gehalte im Sprossgewebe, was auf eine erhöhte Effizienz der pflanzlichen Fe-Aneignung unter ?hoch-CO2? hinweist. Trotz der deutlichen Anzeichen für eine veränderte PS-Exsudation unter erhöhter CO2-Konzentration, konnte kein Effekt auf die bakterielle Rhizosphären-Gemeinschaft gefunden werden.
Die vierte Studie beschäftigt sich mit Herbivorie von pflanzenparasitischen Nematoden bei niedrigen Befallsraten. Frühere Studien haben gezeigt, dass das beim Eindringen der Nematoden ins Wurzelgewebe auftretende ?Leakage? pflanzenbürtiger Substanzen indirekte Auswirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft in der Rhizosphäre haben kann. Ob eine Interaktion zwischen Wirts-Pflanze und parasitischen Nematoden auch andere Veränderungen in Wurzelexsudation und/oder Wurzelmorphologie von nicht geschädigten Wurzeln im gleichen Wurzelsystem hervorruft, ist jedoch bisher unbekannt. In dieser Studie wurde Gerste und der ?root-knot? Nematode Meloidogyne incognita als Modell Pflanze-Parasit System ausgewählt. Jeweils zwei Wirtspflanzen pro Wurzelkasten wurden dabei mit 0, 2000, 4000 oder 8000 Nematoden für vier Wochen inokuliert. Durch Nematodenbehandlung (4000) wurde die Sprossbiomasse und die Spross N- und P-Gehalte der Pflanzen erhöht. Eine Woche nach Nematodenzugabe führte das ?Leakage? zu vermehrter Rhizodeposition von Zuckern, Carboxylaten und Aminosäuren in der apikalen Wurzelzone, welche den potenziellen Infektionsort für Nematoden darstellt. Die Wurzelhaarlänge im Bereich der Wurzelknötchen und auch der nicht infizierten apikalen Wurzelzonen waren unter Nematodenzugabe erhöht. Letzteres deutet auf einen systemischen, d.h. die ganze Wurzel betreffenden, Effekt des Nematodenbefalles hin, der nicht auf eine Befalls-bedingte Limitierung der N- oder P-Versorgung zurückzuführen war. Ein ähnlicher systemischer Effekt war auch drei Wochen nach Nematodenzugabe im Vergleich von nicht infizierten apikalen Wurzelzonen zu äquivalenten Wurzelzonen bei Kontrollpflanzen über eine erhöhte Zuckerexsudation nachweisbar. Die Wurzelknötchen bildeten im Gesamtwurzelsystem ein eigenes Mikro-Habitat. Es wurde beobachtet, dass die Rhizodeposition der Wurzelknötchen stark reduziert war und im angrenzenden Rhizosphärenboden das Pilz zu Bakterien Verhältnis sehr stark anstieg. Diese Studie hat gezeigt, dass ein niedriger Befall der Pflanze durch ?root-knot? Nematoden, neben ?Leakage?, auch lokale und systemische Effekte auf Wurzelmorphologie und Exsudation hervorruft, was sich auf die Biomasseproduktion und Konkurrenzfähigkeit der Wirtspflanze auswirken kann.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die vorliegende Arbeit das Verständnis über mögliche Auswirkungen von Pflanzenwachstum beeinflussenden Faktoren auf wurzelinduzierte Mechanismen in der Rhizosphäre vertieft hat. Dieses Wissen kann zur Verbesserung von Management Strategien in der Landwirtschaft beitragen vor allem im Hinblick einer ?Globalen Klimaveränderung?.