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Einfluss von Bodenamöben (Acanthamoeba castellanii Neff) auf das Wachstum von Pflanzen und die bakterielle Rhizosphärengemeinschaft

Kreuzer, Knut :
Einfluss von Bodenamöben (Acanthamoeba castellanii Neff) auf das Wachstum von Pflanzen und die bakterielle Rhizosphärengemeinschaft.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Einfluss von Bodenamöben (Acanthamoeba castellanii Neff) auf das Wachstum von Pflanzen und die bakterielle Rhizosphärengemeinschaft
Language: German
Abstract:

Die Rhizosphäre ist der eng begrenzte Raum um die Wurzel von Pflanzen, welcher von der lebenden Wurzel durch die Rhizodeposition, die Abgabe von leicht abbaubaren organischen Verbindungen, beeinflusst wird. Damit wird die mikrobielle Aktivität in diesem für die Pflanze hochsensiblen Bereich der Wasser- und Nährstoffaufnahme deutlich erhöht. Protozoen beweiden die Bakterien in der Rhizosphäre und fördern damit indirekt das Pflanzenwachstum, vor allem das der Wurzeln. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von Nacktamöben als Modellorganismen bakterivorer Protozoen auf mikrobielle Rhizosphärengemeinschaften und das Wurzelwachstum in Experimentalsystemen mit Substraten unterschiedlicher Komplexität untersucht. Die verwendeten Systeme eigneten sich, verschiedene Fragestellungen zur Untersuchung der Wechselwirkungen in der Rhizosphäre zu untersuchen. Die Beweidung durch Amöben veränderte die mikrobiellen Rhizosphärengemeinschaften in morphologischer, metabolischer und taxonomischer Hinsicht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass beweidete Rhizosphärengemeinschaften die Rhizodeposition von verschiedenen Pflanzen artspezifisch so modifizieren, dass die Wurzeln mit veränderter Rhizodeposition eigene Mikrohabitate bilden. Darüber hinaus förderte die Amöbenbeweidung zumindest auf Agar die Dominanz von beta-Proteobakterien, zu deren Gruppe viele nitrifizierende Bakterien gehören, die Nitrit zu Nitrat oxidieren. Tatsächlich trat teilweise eine erhöhte Nitrat-Konzentration in Böden mit Amöben auf. Exogen appliziertes Nitrat fördert die Streckung der Wurzeln. Diese Wurzelstreckung in Anwesenheit von Amöben wurde bei allen untersuchten Pflanzenarten (Lolium perenne L., Oryza sativa L., Plantago lanceolata L. und Arabidopsis thaliana Heynh.) festgestellt und ist damit vermutlich ein allgemeiner Effekt von beweideten Rhizosphärengemeinschaften auf das Wurzelwachstum. Meist ging die Wurzelstreckung einher mit einer teilweise drastischen Steigerung der Anzahl der Seitenwurzeln (maximal um den Faktor fünf). Diese Effekte traten unabhängig von der Nährstoffsättigung der Pflanzen auf. Die gesteigerte Anzahl von Seitenwurzeln dürfte die nährstoffaufnahmefähige Wurzeloberfläche der Wurzelhaarzonen einer Pflanze erhöhen. Durch die zusätzliche Wurzelstreckung in Behandlungen mit Amöben kann die Nährstoffaufnahme der Seitenwurzeln in Bodenbereichen stattfinden, in denen nicht zuvor schon die Hauptwurzel die Nährstoffe durch eigene Aufnahme abgereichert hat. Durch die Kombination von Wurzelstreckung und Seitenwurzelbildung sollten Pflanzen in Amöben-Behandlungen mehr Nährstoffe aufnehmen können. Erwartungsgemäß nahm daher der Stickstoffgehalt im Spross von L. perenne und die Stickstoffkonzentration im Spross von O. sativa zu. Die Bildung von Seitenwurzeln kann durch Applikation von exogenem Auxin oder bestimmten wuchsfördernden Bakterien stimuliert werden. In dieser Arbeit wurde erstmals der Einfluss von beweideten Rhizosphärengemeinschaften auf die Auxin- und Cytokinin-Aktivität in der Pflanze untersucht. Der Einfluss der Amöben war in den zwei durchgeführten Versuchen nicht einheitlich. Dennoch erhöhte sich in beiden Versuchen die Anzahl der Wurzelspitzen in ähnlicher Weise. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass bakteriogene Signalstoffe in der Rhizosphäre einen größeren Einfluss auf die Seitenwurzelbildung besitzen als die mittels GUS-Expression bestimmte Auxin- und Cytokinin-Aktivität. Da Auxin und Cytokinin in komplexe Regulationsprozesse anderer wichtiger Phytohormone wie Ethylen und Abscisinsäure involviert sind, können Amöben indirekt vermutlich den Hormonhaushalt der Pflanzen über die Aktivität der beiden untersuchten Phytohormone hinaus beeinflussen. In Versuchen mit Amöben und VA-Mykorrhiza wurde untersucht, ob die Wirkungen dieser Organismen auf das Wachstum und die Nährstoffaufnahme von L. perenne und P. lanceolata pflanzlichen Regulationsmechanismen unterworfen sind, und ob die Bodenorganismen um die Rhizodeposite der Pflanzen konkurrieren, wie dies zuvor für Protozoen und Ekto-Mykorrhiza dokumentiert wurde. Die Ergebnisse lieferten keine eindeutigen Hinweise auf eine Konkurrenz zwischen Amöben und VA-Mykorrhiza um pflanzliche Rhizodeposite. Hinsichtlich des Pflanzenwachstums, nicht jedoch bezüglich der Stickstoffaufnahme, hoben sich die Wirkungen von Amöben und VA-Mykorrhiza sowohl bei L. perenne als auch bei P. lanceolata auf. Offensichtlich sind die beiden untersuchten Pflanzen nur zu einer Regulation der morphologischen Einflüsse der untersuchten Organismen fähig. In einem Konkurrenzversuch wurde untersucht, ob eine unterschiedliche Plastizität im Wurzelwachstum, eine unterschiedliche Affinität zu Mykorrhiza und die im Versuch mit Monokulturen mit VA-Mykorrhiza festgestellte Förderung der Stickstoff-Aufnahme bei P. lanceolata und der Hemmung bei L. perenne die Konkurrenz beider Pflanzen beeinflusst. Tatsächlich wurde die Konkurrenz der beiden Pflanzen, die auch im Freiland miteinander konkurrieren, durch die Behandlung mit Amöben oder Mykorrhiza zugunsten von L. perenne verschoben. Durch die hohe Nährstoffverfügbarkeit in diesem Versuch waren die Wirkungen der Bodenorganismen jedoch schwach ausgeprägt. Die Experimente zeigten jedoch, dass Protozoen - wie auch Mykorrhiza - das Potenzial besitzen, über eine Veränderung der mikrobiellen Gemeinschaft im Boden die Konkurrenz von Pflanzen zu verändern. Die Ergebnisse der Versuche unterstützen die Hypothese, dass die Wechselwirkungen zwischen Protozoen, Mikroorganismen und Pflanzen hauptsächlich auf der Produktion von Signalstoffen basieren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The rhizosphere is defined as the narrow soil space around a root influenced by the roots rhizodeposition of easily decomposable organic compounds. In a highly sensitive area of water and nutrient uptake the plant fuels microbial activity with this carbon sources. Grazing bacteria in the rhizosphere, protozoa stimulate plant growth, in particular root growth, in an indirect way. Here, effects of nacked amoebae (as a model of bacterivorous protozoa) on microbial rhizosphere communities and root growth were investigated in experimental systems with different substrate complexities. These systems provided a study of various aspects of rhizosphere interactions. Amoebal grazing altered the microbial rhizosphere community in a morphological, metabolic and taxonomic manner. Results indicate a modified rhizodeposition stimulated by grazed rhizosphere communities, leading to distinct microhabitats. Moreover, on agar amoebal grazing supported the dominance of beta-proteobacteria. This subgroup includs nitrifiing bacteria, which oxidizes nitrite to nitrate. In deed, higher concentrations of nitrate were detected in some soils with amoebae. Elongation of roots, which can be stimulated by exogenous application of nitrate, was detected in presence of amoebae on all plant species studied (Lolium perenne L., Oryza sativa L., Plantago lanceolata L. und Arabidopsis thaliana Heynh.), presumably indicating a general effect of grazed rhizosphere communities on root growth. In many cases root elongation was accompanied by a mainly clear increase of numbers of lateral roots (maximum factor 5). These effects were independent from the nutrient saturation of the plants. The higher number of lateral roots should increase the total surface area along the root hair zones, where nutrient uptake occurs. Additional root elogation admits nutrient uptake in soil areas without a previous nutrient depletion of the primary root. The combination of root elongation and lateral root production should result in an increased nutrient uptake in treatments with amoebae. As exspected, the nitrogen content in shoots of L. perenne and the nitrogen concentration in shoots of O. sativa was higher in presence of grazed rhizoshere communities. The production of lateral roots can be stimulated by appication of exogenous Auxin or certain plant-growth promoting bacteria. Here, the effects of grazed rhizosphere communities on Auxin and Cytokinin activity was investigated for the first time. Effects of amoebae were not constant in two experiments. However, number of roots tips increased similarly in both experiments. Presumably, bacteriogenous signal compounds in the rhizosphere had a greater impact on lateral root production than the Auxin and Cytokinin activity determined by GUS expression. However, Auxin and Cytokinin are involved in complex regulation processes of other important phytohormones like ethylene and abscisic acid, and therefore amoebae can affect a plants hormonal status beyond the activity of the investigated hormones. Experiments with amoebae and VA-Mycorrhiza should show if effects of these organisms on growth and nutrient uptake of L. perenne and P. lanceolata were regulated by plants and if these organisms compete for rhizodeposits like it was documented for amoebae and Endo-Mykorrhiza. There was no strong evidence for a competition between amoebae and VA-Mycorrhiza for rhizodeposits. For both plant species, effects of amoebae and VA-Mycorrhiza on plant growth canceled each other out. This was not true for effects on nutrient uptake. Obviously both plant species were only able to regulate the effects of the studied organisms on morphology. In a competition experiment a difference in plasticity of root growth and in affinity to mycorrhization and an unequal nitrogen uptake in presence of VA-mycorrhiza was tested to affect the competition between the native competitors P. lanceolata and L. perenne. In fact, L. perenne benefited from treatments with amoebae or mykorrhiza. Effects of the investigated soil organisms were weak in this experiment due to a high nutrient availability. However, the results indicate the potential of protozoa - as well as mykorrhiza - to affect plant competition by altering the microbial community. The results of the experiments support the hypothesis of rhizosphere signals as basic factor for interactions of protozoa, microorganisms and plants in the rhizosphere.English
Uncontrolled Keywords: Wurzelarchitektur, Wurzelstreckung, Seitenwurzelbildung, Acanthamoeba castellanii
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Wurzelarchitektur, Wurzelstreckung, Seitenwurzelbildung, Acanthamoeba castellaniiGerman
root architecture, root elongation, root production, Acanthamoeba castellaniiEnglish
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/000491
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4916
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Scheu, Prof. Dr. Stefan and Ullrich-Eberius, Prof. Dr. Cornelia
Advisors: Scheu, Prof. Dr. Stefan
Refereed: 24 September 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/491
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