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Amoebae in the rhizosphere and their interactions with arbuscular mycorrhizal fungi: effects on assimilate partitioning and nitrogen availability for plants

Koller, Robert :
Amoebae in the rhizosphere and their interactions with arbuscular mycorrhizal fungi: effects on assimilate partitioning and nitrogen availability for plants.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Amoebae in the rhizosphere and their interactions with arbuscular mycorrhizal fungi: effects on assimilate partitioning and nitrogen availability for plants
Language: English
Abstract:

Plants interact with multiple root symbionts for fostering uptake of growth-limiting nutrients. In turn, plants allocate a variety of organic resources in form of energy-rich rhizodeposits into the rhizosphere, stimulating activity, growth and modifying diversity of heterotrophic microorganisms. The aim of my study was to understand how multitrophic interactions feed back to plant N nutrition, assimilate partitioning and growth. Multitrophic interactions were assessed in a single-plant microcosm approach, with arbuscular mycorrhizal fungi (Glomus intraradices) and bacterial feeding protozoa (Acanthamoeba castellanii) as model root symbionts. Both organisms are common and abundant in the rhizosphere, contributing strongly to plant nutrient acquisition. Stable isotopes enabled tracing C (13C) and N (15N) allocation in the plant, into the rhizosphere and the microbial community. Microbial community composition was investigated by phospholipid fatty acid analysis. This study offers new perspectives for the microbial loop in soil concept. Plant species identity is a major factor affecting plant-protozoa interactions. N uptake was enhanced in the presence of protozoa for Zea mays and Plantago lanceolata. The presence of protozoa increased specific root area in both plant species, whereas specific leaf area was only increased in P. lanceolata. Holcus lanatus did not respond to any parameter studied. Protozoa in the rhizosphere mediate plant C allocation and nutrient mobilization. These responses depended on the quality of soil organic matter (assessed by C-to-N ratio of leaf litter). Plants adjusted the allocation of C resource to roots and into the rhizosphere depending on litter quality and the presence of bacterial grazers for increasing plant growth. The effect of protozoa on the structure of microbial community supplied with both, plant C and litter N, varied with litter quality. AM-fungi and protozoa interact to complement each other for plant benefit in C and N acquisition. Protozoa re-mobilized N from fast growing rhizobacteria and by enhancing microbial activity. Hyphae of AM fungi acted as pipe system, translocating plant derived C and protozoan remobilized N from source to sink regions. This strongly affected decomposer microbial communities and processes in distance to roots. Plant growth promoting effect of protozoa in the rhizosphere fostered synergistically the exploitation of nutrients. Major perspectives of this work will be to investigate (i) whether multitrophic interactions in our model system can be generalized to other protozoa-mycorrhiza-plant interactions (ii) whether these interactions are depending on plant phenology and plant community composition.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Pflanzen interagieren mit verschiedenen Wurzelsymbionten um die Aufnahme von limitierenden Nährsoffen zu erhöhen. Im Gegenzug transferieren Pflanzen organische Ressourcen in Form von energiereichen Wurzelausscheidungen in die Rhizosphäre, die hier Aktivität und Wachstum heterotropher Mikroorganismen stimulieren und ihre Diversität fördern. Die vorliegende Arbeit untersucht multitrophische Interaktionen in der Rhizosphäre und Ihre Auswirkungen auf Stickstoffernährung, Verteilung von Photoassimilaten und Wachstum von Pflanzen. Die Untersuchungen erfolgten in Mikrokosmen an Einzelpflanzen. Als Modell-Symbionten wurden vesikulär-arbuskuläre (VA) Mykorrhizapilze (Glomus intraradices) und Bakterien konsumierende Protozoen (Acanthamoeba castellanii) eingesetzt. Beide Organismen sind in der Rhizosphäre von Pflanzen ubiquitär vorhanden und zahlreich. Sie tragen zu einem hohen Anteil zur Pflanzenernährung bei. Der Einsatz stabiler Isotope erlaubte die Verfolgung der Verteilung von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) in der Pflanze, der Rhizosphäre und der mikrobiellen Gemeinschaft. Die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft wurde mit Hilfe von Phospholipidfettsäuren untersucht. Die Studie eröffnet neue Perspektiven für das “Microbial-loop in soil”-Konzept. Die Interaktion zwischen Protozoen und Pflanzen hing von der Identität der Pflanzenart ab: In Gegenwart von Protozoen erhöhte sich die Stickstoffaufnahme von Zea mays und Plantago lanceolata. Die spezifische Wurzeloberfläche stieg bei beiden Arten an, die spezifische Blattfläche nur bei P. lanceolata. Holcus lanatus zeigte im Bezug auf die gemessenen Parameter keine Reaktion. Protozoen in der Rhizosphäre veränderten die C-Allokation der Pflanze und die Mobilisierung von Nährstoffen in der Rhizosphäre. Die Reaktion der Pflanzen hing von der Qualität des organischen Materials im Boden ab (gemessen als C/N Verhältnis der Blattstreu). Um das Wachstum zu erhöhen, passten die Pflanzen in Abhängigkeit von Streuqualität und bakteriellen Beweidern die Allokation von C-Ressourcen in die Wurzel und Rhizosphäre an. Der Einfluss von Protozoen auf die Struktur mikrobieller Populationen, welche mit pflanzlichem C und aus der Streu stammendem N versorgt wurden, variierte mit der Qualität der Streu. Multitrophische Interaktionen zwischen VA-Pilzen, Protozoen und Pflanzen ergänzten sich in ihrer positiven Wirkung auf Pflanzenwachstum. Protozoen re-mobilisierten N zum einen aus schnell wachsenden Rhizobakterien und zum anderen durch die Erhöhung der mikrobiellen Aktivität. Wie ein Leitungssystem transportierten die Hyphen der VA-Mykorrhiza pflanzlichen C und den von Protozoen mobilisierten N von Quellen zu Senken. Hierdurch wurde die Zusammensetzung und Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft in Kompartimenten, die für die Wurzel selbst nicht zugänglich waren, erhöht. Protozoen und VA-Mykorrhizen erhöhten damit in synergistischer Weise die Ausbeutung von Nährstoffen durch Pflanzen. In Zukunft sollte untersucht werden, ob die (i) Ergebnisse der multitrophischen Interaktionen unseres Modellsystems auf andere Protozoen-Mykorrhiza-Pflanze Interaktionen übertragbar sind und die (ii) untersuchten Interaktionen von der Phänologie der Pflanze und der Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften abhängen.German
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Rhizosphere, carbon, nitrogen, stable isotope, 13C, 15N, microbial loop, multitrophic interactions, protozoa, Acanthamoeba castellanii, arbuscular mycorrhizal fungi, Glomus intraradices, microbial community, Plantago lanceolata, Zea mays, Holcus lanatus, litter quality, PLFAEnglish
Rhizosphäre, Kohlenstoff, Stickstoff, stabile Isotope, 13C, 15N, Protozoa, Microbial loop, multitrophische Interaktionen, Protozen, Acanthamoeba castellanii, arbuskuläre Mykorrhizapilze, Glomus intraradices, mikrobielle Gemeinschaft, Plantago lanceolata, Zea mays, Holcus lanatus, Streu-Qualität, PLFAGerman
Rhizosphère, carbone, azote, isotope stable, 13C, 15N, boucle microbienne, interactions multitrophiques, protozoaires, Acanthamoeba castellanii, champignon mycorhizien à arbuscules, Glomus intraradices, communauté microbienne, Plantago lanceolata, Zea maïs, Holcus lanatus, litière, PLFAFrench
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 580 Pflanzen (Botanik)
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology > Zoology
Date Deposited: 03 Aug 2009 07:14
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-14163
Additional Information:

Diese Doktorarbeit wurde im Rahmen eine binationalen Kooperation zwischen der Technischen Universität Darmstadt, Darmstadt (Deutschland) und dem Institut National Polytechnique de Lorraine, Nancy (Frankreich) durchgeführt.

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

Diese Doktorarbeit wurde im Rahmen eine binationalen Kooperation zwischen der Technischen Universität Darmstadt, Darmstadt (Deutschland) und dem Institut National Polytechnique de Lorraine, Nancy (Frankreich) durchgeführt.

Referees: Griffiths, Professor Bryan and Salon, Doktor Christophe
Refereed: 14 November 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1416
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