Responses of arbuscular mycorrhizal fungi to nutrient additions in a tropical montane forest of Southern Ecuador.

Abstract

Tropical rainforests – characterized by an exceptional biodiversity, important for the regulation of climatic cycles and storing an estimate of 30% of terrestrial carbon – are severely endangered by human impacts. Increased nutrient depositions expected in the future by anthropogenic activities might affect these ecosystems primarily limited by nitrogen (N) and phosphorus (P). In Southern Ecuador consequences of these effects on a tropical montane forest are evaluated in the framework of a nutrient manipulation experiment. As part of this project we evaluated effects of moderate N and P additions on an important organism group involved in plant nutrient uptake – the arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). Though AMF are known to represent the dominant mycorrhizal form in tropical forests, only few studies on AMF ecology were conducted in this diverse system. The main function of AMF represents increased nutrient uptake for the plant mainly of P, but also of N and other nutrients. Thus, since plants invest their carbon towards structures that are most limited (functional equilibrium model), theory predicts that increased nutrient availability will decrease AMF abundance. Based on this model and previous work conducted in temperate areas we tested our main hypotheses that (1) AMF abundance will be reduced following nutrient amendments and (2) AMF diversity will decrease and the AMF community shift towards lineages favored by fertilized conditions. In the case of AMF abundance we analyzed a time series from the beginning of the experiment up to five years of constant nutrient applications. Furthermore, effects were tested along an altitudinal gradient (1000 – 3000m above seal level) which is characterized by decreasing nutrient availability and a shift from N/P- towards N-limitation with elevation. For molecular analyses, after two years of nutrient applications the AMF community was analyzed in-depth by 454-pyrosequencing at 2000m. As part of this experiment, we aimed to characterize AMF in more detail in this tropical montane forest. Here, we focused on AMF distribution in the organic soil layer, since the dominance of AMF in such soils is contrary to common theories on AMF occurrence. Generally, we found some interesting patterns associated to this study site in AMF morphology and diversity, which we confirmed to be the dominant mycorrhizal form. Along the altitudinal gradient, as predicted by the functional equilibrium model, root and AMF abundance increased in parallel with decreasing nutrient availability. A more detailed molecular analysis at 2000m revealed a diverse community (74 operational taxonomic units) with a large proportion of Diversisporales. At this site, morphological analyses revealed a close association of AMF hyphae with barely decomposed plant material in the organic layer, though a great amount of hyphae was also detected on root surfaces. Within the nutrient manipulation experiment and contrary to our first hypothesis, results show an overall positive effect of P additions on both, extra- and intraradical AMF biomass. However, N additions decreased AMF abundance. These effects were most pronounced at the intermediate site (2000m). This pattern is unusual and might be explained either by a predominant role of AMF in N uptake in this system or direct P-limitation of the fungus itself. Regarding AMF diversity, we observed a significant richness decrease in all treatments, with the strongest effect by concurrent application of N and P. Interestingly, Diversisporales and Glomerales were differentially affected by N and P, respectively, potentially pointing out group-specific traits. The findings presented here reveal insights in interesting patterns in AMF and their interrelations in this tropical montane forest, a biome where detailed knowledge on AMF is scarce. Direct conclusions on AMF functionality cannot be based solely on these observational results, but they allow the development of specific experimental designs for future studies. Nevertheless, the observed results indicate impacts of future nutrient depositions expected for the study area on the abundance and diversity of AMF, an important group influencing whole ecosystem processes.

Tropische Regenwälder – gekennzeichnet von außergewöhnlicher Biodiversität, wichtig für die Regulierung von Klimazyklen, Speicher von geschätzten 30 % des terrestrischen Kohlenstoffs – sind gefährdet durch menschliches Eingreifen. Zukünftige erhöhte Nährstoffdepositionen, verursacht durch anthropogene Aktivitäten könnten diese Ökosysteme, welche hauptsächlich durch Stickstoff (N) und auch Phosphor (P) limitiert werden nachhaltig verändern. Im Süden Ecuadors werden im Rahmen eines NährstoffManipulationsexperimentes die Auswirkungen dieser Nährstoffdepositionen auf einen tropischen Bergregenwald getestet. Als Teil dieses Projektes haben wir den Einfluss von moderaten N und P Zugaben auf eine wichtige Organismengruppe untersucht, welche stark in die pflanzliche Nährstoffaufnahme involviert ist – die arbuskulären Mykorrhizapilze (AMF). Obwohl es bekannt ist, dass AMF die dominante Mykorrhizaform in tropischen Regenwäldern darstellen, gibt es nur wenige Studien zur Ökologie dieser Pilze in diesem diversen Ökosystem. Die Hauptfunktion von AMF für die Pflanze ist die verbesserte Nährstoffaufnahme, hauptsächlich von P, jedoch auch von N und anderen Nährstoffen. In Anbetracht der Grundlage, dass Pflanzen ihren Kohlenstoff an Strukturen verteilen welche am stärksten limitiert sind („Functional equilibrium model“), besagt die Theorie, dass erhöhte Nährstoffverfügbarkeit die AMF-Abundanz verringern wird. Basierend auf diesem Modell und vorherigen Ergebnissen aus temperaten Gebieten haben wir vorrangig die folgenden Hypothesen getestet: (1) AMF Abundanz wird in Folge von Nährstoffzugaben reduziert; (2) AMF-Diversität wird geringer und die Zusammensetzung der AMF Lebensgemeinschaft verschiebt sich zugunsten von Arten/Gruppen, welche durch die veränderten Bedingungen begünstigt werden. Basierend auf einer Zeitreihe von 5 Jahren ab Beginn des Experimentes wurden Untersuchungen zur AMF-Abundanz durchgeführt. Außerdem wurden Proben entlang eines Höhengradienten genommen (1000 – 3000 m ü. d. M.), welcher durch abnehmende Nährstoffverfügbarkeit parallel zu einer Verschiebung der Pflanzenlimitierung von P- bzw. N/P- hin zu N-Limitierung charakterisiert ist. Für die molekulare Analyse der AMF Lebensgemeinschaft auf 2000 m wurde nach zwei Jahren kontinuierlicher Nährstoffzugaben die detaillierte Methode der 454-Pyrosequenzierung angewandt. Weiterhin war es Teil dieses Projektes AMF im Allgemeinen in diesem besonderen System des tropischen Bergregenwaldes besser zu verstehen. Dafür lag der Fokus auf der AMF-Anpassung an die organische Auflage im Boden, da die Dominanz von AMF in solchen Böden früheren Theorien zum AMF-Vorkommen widerspricht. Zusammenfassung Insgesamt konnten einige interessante Muster bezüglich der AMF-Morphologie und -Diversität im Zusammenhang mit dem Untersuchungsgebiet gefunden werden. Außerdem wurden AMF als vorherrschende Mykorrhizaform im Gebiet bestätigt. Im Einklang mit dem „functional equilibrium model“, nimmt die Wurzellänge sowie die AMF-Abundanz parallel zur abnehmenden Nährstoffverfügbarkeit entlang des Höhengradienten zu. Eine detaillierte molekulare Analyse auf 2000 m offenbarte eine diverse Lebensgemeinschaft (74 „operational taxonomic units“) mit einem großen Anteil an Diversisporales. Auf der gleichen Höhenstufe zeigte die morphologische Untersuchung des extraradikalen AMF-Mycels eine enge Assoziation der Hyphen mit im Abbauprozess befindlichem Pflanzenmaterial in der organischen Auflage, obwohl ein sehr großer Anteil an Hyphen auch auf der Wurzeloberfläche lokalisiert ist. Im Gegensatz zu unserer ersten Hypothese, zeigten die Ergebnisse des NährstoffManipulationsexperiments einen insgesamt positiven Effekt von P-Zugaben sowohl auf extra- als auch auf intraradikale AMF- Abundanz. Im Gegensatz dazu verringerten N-Zugaben die AMF-Abundanz eher. Die gefundenen Effekte waren auf der mittleren Höhenstufe (2000 m) am stärksten ausgeprägt. Dieses Muster ist ungewöhnlich und könnte entweder durch eine vorherrschende Rolle von AMF in der N-Aufnahme in diesem System, oder durch direkte P-Limitierung der Pilze selbst begründet werden. In Bezug auf die AMF- Diversität wurde in Folge aller Nährstoffbehandlungen ein signifikantes Absinken der Artenzahl beobachtet, mit dem stärksten Effekt bei gleichzeitiger Applikation von N und P. Interessanterweise wurden Diversisporales und Glomerales jeweils von N und P unterschiedlich beeinflusst, was auf bestimmte gruppenspezifische Eigenschaften hindeutet. Zusammengenommen geben diese Ergebnisse Einblick in interessante Eigenschaften von AMF und ihren Wechselbeziehungen in diesem tropischen Bergregenwald, einem Biom für welches es an Detailwissen zu AMF noch mangelt. Direkte Schlussfolgerungen zur AMFFunktionalität können alleinig basierend auf diesen Ergebnissen nicht getroffen werden, jedoch erlauben sie die Entwicklung von spezifischen experimentellen Designs für zukünftige Studien. Nichtsdestotrotz deuten die beobachteten Effekte daraufhin, dass zukünftige Nährstoffdepositionen, welche im Untersuchungsgebiet erwartet werden, Einfluss auf die Abundanz und Diversität von AMF haben werden, einer wichtigen Organismengruppe mit Einfluss auf ganze Ökosystemprozesse.