Soil stability and filamentous fungi

Abstract

The main goal of this dissertation was to explore the connection between soil aggregation and soil water repellency trough soil fungi under the umbrella of the trait-based approach. In the study two types of soil fungi, ectomycorrhizal (EcM) fungi and saprotrophic fungi, were included. In Chapter 2 we show that: (1) ectomycorrhiza establishment in Pinus sylvestris L. plants inoculated with different isolates of EcM fungi produced an increase in water- stable aggregates (WSA), compared to initial values – in contrast with non- mycorrhizal plants, which did not produce any change but increased the mean weight diameter (MWD) ; (2) soil water repellency (SWR), which measured as water drop penetration time (WDPT) was induced by three EcM fungal isolates which also exhibited mycelium hydrophobicity; (3) root development was only weakly positively correlated with both WSA and WDPT; (4) different EcM fungal isolates affected stability of soil aggregates and repellency of soil differently. This suggests that EcM fungi play a role in both soil aggregation and soil water repellency and using a trait-based approach for the observation of fungal effects on soil structure will be fruitful. In Chapter 3 we performed a quantitative data synthesis (meta-analysis), in which we tested whether AS and SWR are two interrelated soil processes, as well as whether the edaphic factors (SOC, soil pH, and soil sand content) and experimental factors (experimental setting, duration, sampling depth, sample drying temperature, measuring methods and burning temperature when treated with fire) affect SWR. We found (1) correlations among SWR, AS and SOC indicating SWR and AS were joint processes connected by SOC; (2) soil pH and sand content both positively related to SWR in the reported ranges; (3) the methods used to quantify SWR did not bias the results; (4) when soil was treated with fire, SWR increases more strongly with increasing AS; and at higher temperature SWR disappeared whereas at lower temperature SWR showed up. The included studied covered less frequently microbial treatments and did not report some crucial abiotic factors like soil water content. SWR can associate with SOC and AS in multiple ways and influenced by abiotic conditions. Our study emphasizes the importance of integrating AS and SWR in the study of soil stability, and of controlling or recording specific conditions to reveal different aspects of mechanisms. In Chapter 4, we experimentally tested fungal traits of 31 saprotrophic fungi; the traits examined are related to soil aggregation and stability. The chosen traits are growth features (colony extension rate (Kr) and biomass density), enzyme activities (acid phosphatase, cellobiohydrolase, leucine aminopeptidase and laccase) and water-related features (mycelial water content and hydrophobicity of fungal surface (HFS). We showed that fungal traits were affected by cellophane membrane morphologically and physiologically. The colonies had higher enzyme activities at younger age. But the shifts of enzyme activities were not lead to changes in phylogenetic signal. We showed that mycelial water content was an intrinsic trait that should be included in future studies. For the first time we found that HFS, the activity of leucine aminopeptidase and biomass density had phylogenetic signals. We found the chosen traits were phylogenetically convergent, which means the grouping of the strains based on trait information were similar to their phylogenetic groups. In trade-offs among the traits, Kr and biomass density were potentially negatively related to each when three extreme data points were removed. At the same time the relationship between cellobiohydrolase and laccase activities was strongly influenced by the suspicious extreme points. Here, the extreme data points arise from divergent traits of the phylogenetically close strains, which suggests divergent evolution. In all, our results suggest that HFS and mycelial water content are two crucial fungal traits, that using cellophane membrane to facilitate collecting fungal traits needs to be employed with care, and that plasticity of fungal traits is a concern when building trait databases.

Die Hauptzielsetzung dieser Dissertation war es, den Zusammenhang zwischen Aggregation (BA) und dem Wasserabweisungsvermögen des Bodens (BWV) mittels Boden-assoziierter Pilze unter Anwendung des Merkmal-basierten Ansatzes („trait-based approach“) zu ergründen. Im Rahmen dieser Studie wurden zwei Pilztypen in Experimente einbezogen – Ektomykorrhizapilze (EkM) und saprobische Pilze (SP). In Kapitel 2 zeigten wir, dass (1) die Etablierung von Ektomykorrhiza in Pinus sylvestris L. Pflanzen mittels verschiedener EkM- Isolate die Wasserstabilität von Bodenaggregaten (WSA) sowie die Größenklassenverteilung („mean weight diameter“, MWD) signifikant erhöht im Verhältnis zum Ausgangsboden und den unmykorrhizierten Kontrollpflanzen; (2) Das Wasserabweisungsvermögen des Bodens (BWV), welches als Wassertropfeneindringungszeit („water drop penetration time“, WDPT) gemessen wurde, wurde durch drei der getestete Isolate verstärkt, die ebenfalls nachweisbar ein hydrophobes Myzel aufwiesen; (3) Die Wurzelentwicklung (Wurzelbiomasse und –länge) korrelierte nur geringfügig positiv mit WSA und WDPT; (4) Der Einfluss der verschiedenen EkM-Isolate auf die Faktoren WSA und BWV variierte zwischen den einzelnen Pilzgenotypen. Diese Fakten legen nahe, dass EkM-Pilze eine entscheidende Rolle in der Bodenaggregation sowie dem Wasserabweisungsvermögen von Boden spielen. Diese sollte unter Anwendung des Merkmal-basierten Ansatzes weiter ergründet werden. In Kapitel 3 wurde eine quantitative Datensynthese (Meta-Analyse) durchgeführt, mit der wir die Fragen klären wollten, (1) ob BA und BWV zwei Bodenprozesse sind, die in gegenseitiger Wechselwirkung stehen und (2) ob edaphische Faktoren (organischer Bodenkohlenstoff, Boden-pH und Sandgehalt) und experimentelle Faktoren (experimentelle Umgebung, Experimentdauer, Beprobungstiefe, Probentrocknungstemperatur, Messmethode sowie Temperatur von Feuerbehandlungen) BWV beeinflussen. Wir fanden (1) Korrelationen zwischen BWV, BA und organischem Bodenkohlenstoff, was darauf schließen lässt, dass der organische Kohlenstoff im Boden ein verbindender Prozess zwischen BWV und BA ist; (2) Boden-pH und Sandgehalt korrelieren positiv mit BWV; (3) Die Messmethode zur Bestimmung des BWV hatte keinen verzerrenden Einfluss auf die Analysen; (4) Wenn die Testböden mit Feuer behandelt wurden, konnte eine stärkere Korrelation zwischen BWV und BA festgestellt werden. Dies lag unter anderem daran, dass bei hohen Feuertemperaturen BWV nicht nachweisbar war im Gegensatz zu niedrigen Feuertemperaturen. Die Studien, die in diese Meta- Analyse einbezogen wurden, untersuchten und dokumentierten selten mikrobielle Behandlungsgruppen und Informationen über abiotische Faktoren wie z.B. Bodenwassergehalt. Diese Informationen sind jedoch wichtig, da BWV, BA und organsicher Bodenkohlenstoff auf vielfältige Weisen miteinander interagieren können. Unsere Studie erbringt einen wichtigen Beweis für die Bedeutsamkeit von BA und BWV für die Bodenstabilität. In Kapitel 4 untersuchten wir experimentell Charakteristika von 31 saprobischen Pilzen, die wir als bedeutsam für die Bodenaggregation und –stabilität einstuften. Die ausgewählten Merkmale waren Wachstumseigenschaften der Pilzkolonien (Kolonieausdehnungsrate (Kr) und Biomassendichte), Enzymaktivitäten der sauren Phosphatase, Cellobiohydrolase, Leucin-Aminopeptidase und Laccase sowie Wasser-bezogene Merkmale (Myzelwassergehalt und Hydrophobizität der Pilzoberfläche (HPO)). Die Experimente wurden auf Nährmedien mit und ohne Cellophan durchgeführt und wir konnten nachweisen, dass Cellophan die getesteten Pilze physiologisch und morphologisch beeinflussen kann. Des Weiteren war das Koloniealter ein entscheidender Faktor: Die Pilzkolonien hatten eine höhere Enzymaktivität im jüngeren Außenbereich als im älteren Zentrum. Diese Aktivitätsverschiebung war jedoch nicht phylogenetisch manifestiert. Ebenfalls konnten wir zeigen, dass der Myzelwassergehalt ein intrinsisches Merkmal war, welches in zukünftigen Studien Berücksichtigung finden muss. Mit unserer Studie konnte nun zum ersten Mal nachgewiesen werden, dass HPO, die Aktivität der Leucin-Aminopeptidase und die Biomassendichte phylogenetisch konserviert sind. Darüber hinaus fanden wir, dass die untersuchten Pilzmerkmale phylogenetisch konserviert waren; dies bedeutet, dass die Gruppierung der Pilzisolate basierend auf ihrer Merkmalsinformation mit der phylogenetischen Gruppierung übereinstimmte. Korrelationen innerhalb dieser Merkmale zeigte, dass Kr und die Myzelbiomassendichte negative zusammenhängen, wenn drei Extremwerte aus der Analyse ausgeschlossen wurden. Die Beziehung zwischen Cellobiohydrolase- und Laccaseaktivität wurde stark durch eben diese drei Extremwerte beeinflusst. Diese Werte beruhten auf divergenten Merkmalen phylogenetisch sehr naher Pilzisolate; dies weist auf eine potentielle divergente Evolution hin. Zusammengefasst zeigen unsere Ergebnisse auf, dass HPO und der Myzelwassergehalt zwei wesentliche Pilzcharacteristika sind, und dass der Einsatz von Cellophanmembranen in Experimenten zur Merkmalserhebung mit Vorsicht durchzuführen ist. Des Weiteren zeitg sich deutlich, dass die Plastizität der Merkmalsausprägungen von Pilzen bei der Etablierung von Datenbank berücksichtigt werden muss.