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Effects of earthworms on plant and herbivore performance

Wurst, Susanne :
Effects of earthworms on plant and herbivore performance.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Effects of earthworms on plant and herbivore performance
Language: English
Abstract:

Effects of earthworms in combination with soil heterogeneity and other soil organisms (mycorrhiza, plant feeding nematodes) on plant and herbivore performance were investigated in greenhouse experiments. The aim of the studies was to understand the role of earthworms in terrestrial ecosystems concerning their effects on growth, competition and defensive chemistry of plants, and above-ground herbivore performance. The plant species investigated were a grass (Lolium perenne), a forb (Plantago lanceolata) and a legume (Trifolium repens) that differ among other things in root morphology and N acquisition. I hypothesized that effects of earthworms and litter distribution affect plant species differently and change plant competition. The grass litter was labelled with the stable isotope 15N to follow the N flow from the litter to the plants. To understand why earthworms reduced the reproduction of aphids (Myzus persicae) on P. lanceolata, I analysed defensive compounds in P. lanceolata. Since other soil organisms also affect growth and competition of plants, interactions between earthworms and mycorrhiza or plant-feeding nematodes were investigated. As predicted, soil heterogeneity (i.e. litter distribution) and earthworms affected plant species differently. Because of its symbiosis with N fixing bacteria, T. repens was generally more independent of soil conditions than L. perenne and P. lanceolata. Shoot and root biomass of L. perenne and P. lanceolata were increased by earthworms, while growth of T. repens was not affected. Earthworms enhanced N uptake in all plant species. Litter concentrated in a patch enhanced mainly growth of L. perenne. When the plants were growing in interspecific competition, earthworms increased the competitive ability of L. perenne against T. repens, while the spatial distribution of litter had no effect on plant growth and competition. Earthworms reduced aphid reproduction on P. lanceolata, and affected the defensive chemistry of P. lanceolata. Earthworms increased the concentrations of N and phytosterols in the leaves, but the effect depended on the litter distribution. The concentration of phytosterols increased with increasing N concentration in the leaves. Litter concentrated in a patch led to an increase in the concentration of aucubin in the leaves. In another experiment, earthworms reduced the concentration of catalpol in P. lanceolata shoots. The effects of earthworms on plant defensive chemistry and herbivores depended on soil conditions. It has been assumed that earthworms affect the symbiosis between mycorrhiza and plants. However, no significant effects of earthworms on the symbiosis between mycorrhiza (Glomus intraradices) and P. lanceolata were found. Earthworms enhanced shoot biomass, while G. intraradices reduced root biomass of P. lanceolata. The mycorrhizal plants took up more P, but the N content in the leaves of mycorrhizal plants was lower compared to non-mycorrhizal plants. Earthworms and mycorrhiza combined accelerated the development of aphids (M. persicae), probably by increasing plant host quality for herbivores. Plant-feeding nematodes (Meloidogyne incognita) increased plant uptake of litter N. The low root infestation by M. incognita has probably enhanced root exudation that stimulated the microbial decomposition of the litter. The results of the present study document that earthworms affect growth, competition, defensive chemistry of plants, and above-ground herbivores. However, the effects depend on abiotic soil conditions such as soil heterogeneity and nutrient availability.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Regenwürmern in Kombination mit Bodenheterogenität und anderen Bodenorganismen (Mykorrhiza, phytophage Nematoden) auf Pflanzen und oberirdische Herbivore in mehreren Experimenten im Gewächshaus untersucht. Ziel der Arbeit war es, die Bedeutung von Regenwürmern in Ökosystemen hinsichtlich ihrer Effekte auf Pflanzenwachstum, Konkurrenz zwischen Pflanzen, und pflanzliche Abwehrmechanismen gegen Herbivore zu erforschen. Die untersuchten Pflanzenarten waren ein Gras (Lolium perenne), ein Kraut (Plantago lanceolata) und eine Leguminose (Trifolium repens), die sich unter anderem in ihrer Wurzelmorphologie und Stickstoffaufnahme unterscheiden. Es wurde angenommen, dass Regenwürmer und die räumliche Verteilung von Streu die Pflanzenarten unterschiedlich beeinflussen und die Konkurrenz zwischen den Pflanzen verändern. Die Grasstreu wurde mit dem stabilen Isotop 15N markiert, um den Stofffluss aus der Streu zu den Pflanzen zu verfolgen. Um die Frage zu klären, warum Regenwürmer die Reproduktion von Blattläusen (Myzus persicae) auf P. lanceolata reduzierten, wurden Abwehrstoffe in P. lanceolata untersucht. Da sowohl Regenwürmer als auch andere Bodenorganismen Wachstum und Konkurrenz von Pflanzen beeinflussen, wurden Interaktionen zwischen Regenwürmern und Mykorrhiza bzw. phytophagen Nematoden untersucht. Bodenheterogenität (die räumliche Verteilung von Streu) und Regenwürmer beeinflussten die Pflanzenarten unterschiedlich. Auf Grund der Symbiose mit N-fixierenden Bakterien, war T. repens generell unabhängiger von Bodenfaktoren als L. perenne und P. lanceolata. Das Spross- und Wurzelwachstum von L. perenne und P. lanceolata wurde durch Regenwürmer gefördert, wohingegen das Wachstum von T. repens nicht beeinflusst wurde. Regenwürmer erhöhten die Stickstoffaufnahme bei allen Pflanzenarten. Die konzentrierte Streuverteilung als so genanntes „patch“ förderte vor allem das Wachstum von L. perenne. Wenn die Pflanzen in interspezifischer Konkurrenz wuchsen, führten Regenwürmer zu einem Konkurrenzvorteil von L. perenne gegenüber T. repens, wohingegen die Streuverteilung keinen Einfluss auf das Wachstum und die Konkurrenz der Pflanzen hatte. Regenwürmer reduzierten die Reproduktion von Blattläusen (M. persicae) auf P. lanceolata und beeinflussten Inhaltsstoffe in P. lanceoata, die für die Abwehr gegen Herbivore von Bedeutung sind. In Abhängigkeit von der Streuverteilung, erhöhten Regenwürmer die Konzentration an Stickstoff (N) und Phytosterolen in den Blättern. Die Konzentration an Phytosterolen korrelierte positiv mit der N-Konzentration. Die konzentrierte Streuverteilung („patch“) führte zu einem Anstieg an Aucubin in den Blättern. In einem weiteren Versuch erniedrigten Regenwürmer die Konzentration an Catalpol in den Blättern von P. lanceolata. Die Effekte der Regenwürmer auf pflanzliche Abwehrstoffe und Herbivore hingen von den Bodenbedingungen ab. Es wurde angenommen, dass Regenwürmer die Symbiose zwischen Mykorrhiza und P. lanceolata beeinflussen. Regenwürmer hatten jedoch keinen signifikanten Effekt auf die Symbiose zwischen Mykorrhiza (Glomus intraradices) und P. lanceolata. Regenwürmer förderten das Sprosswachstum, wohingegen G. intraradices das Wurzelwachstum reduzierte. Die mykorrhizierten Pflanzen nahmen mehr Phosphor (P) auf, wohingegen der Gehalt an N in den Blättern der mykorrizierten Pflanzen geringer war als bei den nicht-mykorrhizierten Pflanzen. Regenwürmer und Mykorrhiza zusammen verkürzten die Entwicklungsdauer von M. persicae auf P. lanceolata, möglicherweise durch eine Erhöhung der Nahrungsqualität der Pflanzen für Herbivore. Phytophage Nematoden (Meloidogyne incognita) beeinflussten die N-Aufnahme aller Pflanzen aus der Streu. Der geringe Befall durch M. incognita führte wahrscheinlich zu einer Zunahme an Wurzelexsudaten, die die mikrobielle Zersetzung der Streu förderten. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass Regenwürmer das Pflanzenwachstum, die Konkurrenz zwischen Pflanzen, pflanzliche Abwehrstoffe und oberirdische Herbivore beeinflussen können. Diese Effekte sind jedoch von abiotischen Bodenbedingungen (Streuverteilung, Nährstoffverfügbarkeit) abhängig.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000456
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4566
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Scheu, Prof. Dr. Stefan and Buschinger, Prof. Dr. Alfred
Advisors: Scheu, Prof. Dr. Stefan
Refereed: 28 May 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/456
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