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Decomposer-plant interactions

Endlweber, Kerstin :
Decomposer-plant interactions.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Decomposer-plant interactions
Language: English
Abstract:

This study investigated the effect of Collembola on plant growth and competition between plant species. The competitive relationship between plants is determined by differences in root morphology and foraging strategy. In the first experiment the effect of Collembola on the competitive relationship between Cirsium arvense and Epilobium adnatum was analysed. Collembola neither affected plant biomass nor plant nutrient concentration. However, they induced the production of longer, thinner roots and enhanced the number of root tips with the effect being more pronounced in E. adnatum. The inoculation of plant roots with mycorrhizal fungi is an important factor improving plant nutrition. The second experiment focused on changes in the competitive relationship between Lolium perenne and Trifolium repens due to Collembola grazing on mycorrhizal fungi. Collembola reduced the competitive superiority of L. perenne over T. repens. However, the reduction was independent of the rate of mycorrhizal inoculation. Similar to the first experiment Collembola induced the production of longer, thinner roots and increased the number of root tips, particularly in L. perenne. The results suggest that Collembola affect root morphology by damaging plant roots while grazing in the rhizosphere and by creating nutrient rich patches in soil. In a third experiment feeding preferences of Collembola were investigated using analysis of stable isotopes and compound specific analysis of fatty acids. Collembola were introduced to a system consisting of a maize plant (C4 plant), growing in soil mixed with 15N labelled C3 litter. Collembola preferentially incorporated plant-born carbon and nitrogen. The concentration of C and N in Collembola tissue increased when either litter or plants were available, whereas the combination of both resources caused no further increase in nutrient concentrations. Collembola preferentially incorporated fatty acid originating from plant material, whereas the fatty acid composition of Collembola was not affected by the availability of litter. Damaging or feeding on plant roots induces plant defence as well as the production of plant hormones. In a fourth experiment induction of plant defence and phytohormone production in Arabidopsis thaliana by Collembola were investigated employing DNA microarrays. Gene expression patterns were correlated with changes in rosette growth. Collembola initially reduced growth of A. thaliana with the deceleration being compensated during further development. The temporary deceleration probably was caused by the induction of plant defence by Collembola thereby reducing plant investment in growth. The enhanced production of the growth promoting hormone auxin presumably facilitated the compensational growth during further development. The results of this study suggest that Collembola influence plant growth mainly via two mechanisms: (i) Collembola affect nutrient availability and distribution by grazing on microorganisms in rhizosphere and thus enhance plant nutrition and growth; (ii) while grazing in the rhizosphere, Collembola induce plant secondary metabolism and thus increase plant defence against herbivores. The subsequent deceleration in plant growth is compensated by the increased production of growth promoting hormones in presence of Collembola. Further, the compensational growth is facilitated by the increased nutrient availability and the production of a more expansive root system induced by Collembola.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In Laborexperimenten unterschiedlicher Komplexität wurde der Einfluss von Collembolen auf Pflanzenwachstum und Konkurrenz zwischen Pflanzen untersucht. Das Konkurrenzverhältnis zwischen Pflanzenarten wird durch Unterschiede in der Wurzelmorphologie und Nährstoffaufnahme bestimmt. In einem Experiment wurde überprüft, ob Collembolen das Konkurrenzverhältnis zwischen Cirsium arvense und Epilobium adnatum durch Veränderungen der Nährstoffverfügbarkeit verschieben. Collembolen beeinflussten weder die Biomasse noch die Nährstoffgehalte beider Pflanzenarten, induzierten jedoch die Bildung längerer, dünnerer Wurzeln und erhöhten die Anzahl an Wurzelspitzen, insbesondere bei E. adnatum. In einem zweiten Experiment wurde überprüft, ob Collembolen über den Fraß an Mykorrhizapilzen das Konkurrenzverhältnis zwischen Lolium perenne und Trifolium repens verändern. Collembolen reduzierten die Konkurrenzkraft von L. perenne gegenüber T. repens, diese Reduktion war jedoch unabhängig vom Mykorrhizierungsgrad der Pflanzenwurzeln. Wie im ersten Experiment induzierten Collembolen die Bildung von längeren, dünneren Wurzeln und erhöhten die Anzahl von Wurzelspitzen in beiden Pflanzenarten, wobei die Wirkung bei L. perenne stärker ausgeprägt war. Die Veränderungen in der Wurzelmorphologie durch Collembolen beruhten wahrscheinlich auf der Verletzung von Wurzeln beim Fraß der Tiere in der Rhizosphäre und auf der Schaffung nährstoffreicher Bereiche im Boden. Zur Klärung ob Collembolen direkt an Wurzeln fressen wurde in einem dritten Experiment der Kohlenstofffluss von Pflanzenwurzeln in Collembolen mit Hilfe stabiler Isotope und komponentenspezifischer Fettsäure-Analyse untersucht. Als Versuchspflanze wurde Mais (C4-Pflanze) verwendet, dem 15N markierte C3-Streu zugegeben wurde. Collembolen nahmen bevorzugt Kohlenstoff und Stickstoff aus Pflanzen auf. Ihr Gehalt an Kohlenstoff und Stickstoff wurde durch die Verfügbarkeit von Pflanzen sowie durch Streu gesteigert, allerdings führte die Kombination beider Ressourcen nicht zu einer weiteren Steigerung. Collembolen nahmen bevorzugt Fettsäuren aus Pflanzenmaterial auf, ihr Fettsäuremuster wurde durch die Verfügbarkeit von Streu nicht beeinflusst. Durch Verletzung oder Fraß an Pflanzenwurzeln werden sowohl die Abwehr als auch die Bildung von Botenstoffen in Pflanzen induziert. Durch Verwendung von DNA-Micorarrays wurde die Induktion von Pflanzenabwehr und Produktion von Phytohormonen in Arabidopsis thaliana durch Collembolen überprüft und diese mit Veränderungen im Rosettenwachstum korreliert. Collembolen reduzierten anfänglich das Wachstum von A. thaliana, die Pflanzen kompensierten diese Wachstumsverzögerung jedoch während der weiteren Entwicklung. Die temporäre Wachstumsdepression beruhte vermutlich auf einer Induktion von Abwehrstoffen durch Collembolen. Die Wachstumsverzögerung wurde später jedoch vermutlich durch eine erhöhte Produktion von Auxin ausgeglichen. Die Ergebnisse der Arbeiten weisen daraufhin, dass Collembolen Pflanzen hauptsächlich über zwei Mechanismen beeinflussen: (i) Durch Beweidung von Mikroorganismen in der Rhizosphäre verändern sie die Verfügbarkeit sowie Verteilung von Nährstoffen im Boden und fördern so die Nährstoffversorgung und das Wachstum von Pflanzen; (ii) durch Weiden in der Rhizosphäre induzieren Collembolen die Abwehr von Pflanzen gegen Schädlinge und erhöhen so den Schutz vor Fraßfeinden. Die dadurch bedingte Wachstumsverzögerung wird durch die von Collembolen induzierte Bildung von Wachstumshormonen ausgeglichen. Das kompensatorische Wachstum wird durch höhere Nährstoffverfügbarkeit und ein expansiv wachsendes Wurzelsystem in Anwesenheit von Collembolen ermöglicht.German
Uncontrolled Keywords: Wurzelmorphologie, Zersetzer, Fettsäuren, stabile Isotope, Microarray, Wurzelwachstum, Konkurrenzkraft
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Wurzelmorphologie, Zersetzer, Fettsäuren, stabile Isotope, Microarray, Wurzelwachstum, KonkurrenzkraftGerman
root morphology, decomposer, fatty acids, stable isotopes, microarrayEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000857
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8578
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Advisors: Scheu, Prof. Dr. Stefan
Refereed: 7 October 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/857
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