Understanding the ecology of soil aggregation: interrelationships between arbuscular mycorrhizal fungi and associated microbiota

• Applicant: Professor Matthias C. Rillig, Ph.D.
• Subject Area: Ecology and Biodiversity of Plants and Ecosystems
• Term: from 2008 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 58427310

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Arbuskuläre Mykorrhiza (AM) Pilze sind allgegenwärtige Symbionten von Pflanzen in terrestrischen Ökosystemen mit starken Einflüssen auf Böden und insbesondere auf die Bodenstrukturierung. Dem grundlegenden Verständnis der Bodenaggregation kommt besondere Bedeutung zu, denn Bodenaggregation beeinflusst Prozesse wie Kohlenstoffspeicherung und fördert die nachhaltige Nutzbarkeit landwirtschaftlicher Flächen. Jedoch ist unser Verständnis von Bodenaggregation aus organismischer Sicht stark begrenzt. AM Pilze haben nachweislich einen signifikanten positiven Einfluss auf die Bodenaggregation, wie wir im Rahmen einer umfassenden Meta-Analyse zeigen konnten. Dabei wurden alle bislang publizierten Daten in einer quantitativen, formalen Synthese zusammenfasst. Es wurde statistisch bewertet, welche Faktoren die Effektstärken signifikant beeinflussen aber auch welche Moderatoren keine Effekte hatten (wozu überraschenderweise die Methodik der Messung zählte). Ebenfalls konnten wir erstmalig nachweisen, dass unter völligem Ausschluss von anderen Bodenorganismen (mithilfe von Bioreaktoren und in vitro AM Pilz-Kulturen) AM Pilze alleine in der Lage sind Bodenaggregate zu bilden. Allerdings agieren AM Pilze im Boden nicht in Isolation, sondern vielmehr in Interaktion mit anderen Bodenbiotagruppen, insbesondere anderen Mikroben und auch Mikroarthropoden. Diesen Umstand wollten wir in unseren Versuchen berücksichtigen und so konnten wir neue sowie überraschende Erkenntnisse erzielen: (i) So fanden wir zum Beispiel, dass der Einfluss von Mikroarthropoden (Collembolen) auf die Bodenaggregation in vergleichbaren Größenordnungen rangierte wie AM Pilze, welche jedoch wesentlich besser untersucht sind. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass eine Kombination von Collembolen und AM Pilzen keine nachweisbaren additiven Effekte bewirkt, d.h. es gab Überlappungen in den Mechanismen beider Organismengruppen – allerdings ist nicht bekannt in welcher Weise. (ii) In einem weiterem Experiment, bei dem zusätzlich ein sogenanntes Hyphenkompartiment eingesetzt wurde, konnten wir nachweisen, dass diese Effekte (AM Pilz und/ oder Collembolen) nicht von Wurzeln beeinflusst wurden, und dass sie auch robust (replizierbar) sind in Hinblick auf die verwendeten Arten. In diesem Kontext aus Mikroarthopoden- Einfluss auf Bodenaggregation gab es vor unseren Experimenten keine Daten und somit haben wir einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis der Bodenaggregationsmechanistik erbracht. (iii) Die Bedeutung von Mikroben für Bodenaggregation ist wesentlich schwieriger zu testen, da sich aus logistischen Gründen Schwierigkeiten in der experimentellen Durchführung ergeben können. Nichtsdestotrotz konnten wir zeigen, dass sowohl die Bodenmikrobiota (hinzugegeben als ein „microbial wash“) als auch AM Pilze in ungefähr gleichem Ausmaße die Bodenaggregation fördern konnten, dass aber die gemeinsame Inokulation mit beiden Organismengruppen keine weitere Steigerung des Effektes verursachte (kein additiver Effekt). Die Anwendung eines dynamischen Modells gab uns schließlich die Möglichkeit zu beweisen, dass prinzipiell das System Pflanze – AM Pilz – Bodenstruktur nur dann stabil sein kann, wenn es noch andere partizipierende Faktoren gibt (weil die Effekte immer positiv sind); dies unterstreicht die Bedeutung von Studien wie unserer, die sich spezifisch um die Interaktion von AM Pilzen und Pflanzen mit anderen Organismengruppen kümmern. Mit unserer Arbeit konnten unter Berücksichtigung der Faktoren Bodenbiota (AM Pilze, Mikroarthropoden, Mikroben) und deren Interaktionen neue Einsichten und Erkenntnisse im Bereich der Bodenaggregation gewinnen, der sonst verstärkt unter Gesichtspunkten wie Management- Optionen oder abiotischen Bodenfaktoren betrachtet wird. Mit unseren Studien konnten wir einen wichtigen Einblick in die Komplexität der biotischen Interaktionen im Boden liefern, und wie diese den bedeutsamen Ökosystemprozess der Bodenaggregation beeinflussen.

Publications

• 2010. Mycelium of arbuscular mycorrhizal fungi increases soil water repellency and is sufficient to maintain water-stable soil aggregates. Soil Biology & Biochemistry 42: 1189-1191
  Rillig MC, Mardatin NF, Leifheit EF, Antunes PM
  
• 2011. Are power laws that estimate fractal dimension a good descriptor of soil structure and its link to soil biological properties. Soil Biology & Biochemistry 43: 359-366
  Caruso T, Barto EK, Siddiky MRK, Smigelski J, Rillig MC
  
• 2011. Direct, positive feedbacks produce instability in models of interrelationships among soil structure, plants and arbuscular mycorrhizal fungi. Soil Biology & Biochemistry 43: 1198-1206
  Caruso T, Rillig MC
  
• 2012. Arbuscular mycorrhizal fungi and collembola nonadditively increase soil aggregation. Soil Biology & Biochemistry 47: 93-99
  Siddiky MRK, Schaller J, Caruso T, Rillig MC
  
• 2012. Soil biota effects on soil structure: interactions between arbuscular mycorrhizal fungal mycelium and collembola. Soil Biology & Biochemistry 50: 33-39
  Siddiky MRK, Kohler J, Cosme M, Rillig MC
  
• 2014. Multiple factors influence the role of arbuscular mycorrhizal fungi in soil aggregation - a meta-analysis. Plant and Soil 374: 523- 537
  Leifheit EF, Veresoglou SD, Lehmann A, Morris EK, Rillig MC