Interactions of invasive plants with soil biota

Abstract

This dissertation reports about the interaction of invasive plant species with belowground organisms, especially arbuscular mycorrhizal (AM) fungi. In addition to a general introduction (Chapter 1) and a comprehensive summary of the relevant results (Chapter 5), this thesis consists of three manuscripts (Chapters 2 to 4), which are structured as journal articles, each including a separate introduction as well as sections for materials and methods, results and discussion. The Chapters 2 and 3 focus on the importance of the AM symbiosis for the successful spread of Ambrosia artemisiifolia in the new European range. Chapter 4 is dedicated to the phenomenon of heterocarpy of the non-native plant Galinsoga parviflora in a soil feedback study. In all experiments, the ecological context of soil and natural AM fungal community was strictly maintained; hence, the findings have a comparatively high realism. Chapter 2: Divergent responses of Ambrosia artemisiifolia to natural AM fungal communities in the new European range. The results of this study indicate that performance of non-native A. artemisiifolia may be influenced by different mycorrhizal functions, leading to mutualism in less fertile roadside habitats and parasitism in more fertile cornfield soils. Moreover, the study highlights the importance of the soil context for plant responses to mycorrhizal inoculation, and that mycorrhizal functions may be unpredictable when AM fungal communities are introduced to novel soils. Further, the findings show that adaptation to soil conditions may play a crucial role in the early stages of the spread of A. artemisiifolia along the road. Chapter 3: Non-native Ambrosia artemisiifolia are more influenced by relative density and identity of neighboring plant species than arbuscular mycorrhiza. The results of the experiments demonstrate that A. artemisiifolia is an exceptionally good competitor both at low and high relative density in comparison to co-existing mycorrhizal plant species in the new European range under nutrient poor soil conditions. Moreover, the findings suggest that the competitive ability of A. artemisiifolia – a successful pioneer plant and a species with a strongly ruderal life history – is very weakly influenced by natural AM fungal communities in the presence of other mycorrhizal plants in low fertility soils. Therefore, the invasive success of A. artemisiifolia in Central Europe may not be related to facilitation by natural AM fungal communities. Chapter 4: Distinct seed morphs of Galinsoga parviflora (Asteraceae) give rise to different soil feedbacks. The results demonstrate that progeny from non-pappus seeds, which are produced for in situ persistence, are less negatively affected by conditions of ‘self-cultivated’ (trained) soil than progeny from pappus seeds, which easily disperse from the capitula and represent the long- distance dispersal type. Therefore, the magnitude of negative soil feedback corresponds to the dispersal potential of the different seed types giving an advantage to non-pappus progeny in the existing population. Plants grown from non-pappus seeds, moreover, show proportionally greater investment in long- distance dispersal under unfavorable conditions of ‘self-cultivated’ soil, which may allow escape from sib competition and negative density effects.

Diese Dissertation berichtet über die Interaktion von invasiven Pflanzenarten mit Bodenorganismen, insbesondere mit arbuskulären Mykorrhizapilzen (AM). Neben einer allgemeinen Einleitung (Kapitel 1) und einer ausführlichen Zusammenfassung der relevanten Ergebnisse (Kapitel 5) besteht diese Doktorarbeit aus drei Manuskripten (Kapitel 2 bis 4), die als Zeitschriftenartikel gegliedert sind und jeweils eine separate Einleitung sowie einzelne Abschnitte für Material und Methoden, Ergebnisse und Diskussion enthalten. Die Kapitel 2 und 3 richten ihr Augenmerk auf die Bedeutung der AM- Symbiose für die erfolgreiche Ausbreitung von Ambrosia artemisiifolia im neuen europäischen Gebiet. Kapitel 4 widmet sich dem Phänomen der Heterokarpie bei der nicht einheimischen Pflanze Galinsoga parviflora in einer Studie zum Boden-Feedback. In allen Experimenten wurde stets der ökologische Kontext von Boden und natürlicher AM-Pilzgemeinschaft gewahrt, wodurch die Ergebnisse einen vergleichsweise hohen Bezug zur Realität haben. Kapitel 2: Unterschiedliche Antworten von Ambrosia artemisiifolia auf natürliche AM- Pilzgemeinschaften im neuen europäischen Gebiet. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass das Wachstum der nicht-einheimischen A. artemisiifolia durch unterschiedliche Mykorrhiza-Funktionen beeinflusst sein könnte, die zu Mutualismus in wenig fruchtbaren Straßenrand-Habitaten und Parasitismus in mehr fruchtbareren Ackerböden führen. Des Weiteren hebt die Studie die Wichtigkeit des Boden-Kontextes für die pflanzlichen Reaktionen auf Mykorrhiza-Inokulation hervor und zeigt, dass Voraussagen über das Wirken von AM-Pilzgemeinschaften, wenn sie in neue Böden transferiert werden, schwer möglich sind. Ferner lassen die Ergebnisse erkennen, dass in der Frühphase der Ausbreitung von A. artemisiifolia entlang der Straße Anpassungen an die Bodenbedingungen eine entscheidende Rolle spielen könnten. Kapitel 3: Nicht- einheimische Ambrosia artemisiifolia sind mehr beeinflusst von relativer Dichte und Identität der Nachbarpflanze als durch arbuskuläre Mykorrhiza. Die Ergebnisse der Experimente veranschaulichen, dass unter nährstoffarmen Bodenbedingungen im neuen europäischen Gebiet A. artemisiifolia sowohl in geringer als auch hoher relativer Dichte ein außergewöhnlich guter Konkurrent im Vergleich zu koexistierenden, Mykorrhiza-bildenden Pflanzenarten ist. Darüber hinaus legen die Resultate nahe, dass die Konkurrenzfähigkeit von A. artemisiifolia – einer erfolgreichen Pionierpflanze und einer Art mit einer stark ruderalen Lebensstrategie – nur äußerst gering von natürlichen AM-Pilz- Gemeinschaften in Gegenwart anderer Mykorrhiza-bildender Pflanzen in Böden von geringer Bodenfruchtbarkeit beeinflusst wird. Daher steht der invasive Erfolg von A. artemisiifolia in Mitteleuropa eher nicht im Zusammenhang mit ‚facilitation‘ (Förderung) durch natürliche AM-Pilz-Gemeinschaften. Kapitel 4: Distinkte Samenmorphe von Galinsoga parviflora (Asteraceae) geben Anlass zu unterschiedlichen Boden-Feedbacks. Die Ergebnisse zeigen, dass Nachkommen von Samen ohne Pappus, die für ein in situ Fortbestehen produziert werden, weniger negativ von den Bedingungen eines ‚selbstkultivierten‘ (trainierten) Bodens beeinflusst sind als Nachkommen aus Samen mit Pappus, die sich leicht von den Blütenständen verteilen und den Verbreitungstyp für die Fernausbreitung darstellen. Das Ausmaß des negativen Boden-Feedbacks deckt sich daher mit dem Ausbreitungspotential der unterschiedlichen Samentypen, wobei Nachkommen aus Samen ohne Pappus einen Vorteil in der bereits existierenden Population erhalten. Darüber hinaus zeigen Pflanzen aus Samen ohne Pappus ein prozentual höheres Investment in Fernausbreitung, was ein Entkommen von ‚sib competition‘ (Konkurrenz unter Geschwistern/Verwandten) und negativen Dichte-Effekten ermöglichen würde.