Early responses of wild plant seedlings to arbuscular mycorrhizal fungi and pathogens

Abstract Many plants form associations with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) because they profit from improved phosphorus nutrition and from protection against pathogens. Whereas mycorrhiza-induced pathogen protection is well understood in agricultural plant species, it is rarely studied in wild plants. As many pathogens infest plants in the first days after germination, mycorrhiza-induced pathogen protection may be especially important in the first few weeks of plant establishment. Here, we investigated interacting effects of {AMF} and the seedling pathogen Pythium ultimum on the performance of six- to seven-week-old seedlings of six wild plant species of the family Asteraceae in a full factorial experiment. Plant species differed in their response to AMF, the pathogen and their interactions. {AMF} increased and the pathogen decreased plant biomass in one and three species, respectively. Two plant species were negatively affected by {AMF} in the absence, but positively or not affected in the presence of the pathogen, indicating protection by AMF. This mycorrhiza-induced pathogen protection is especially surprising as we could not detect mycorrhizal structure in the roots of any of the plants. Our results show that even seedlings without established intraradical hyphal network can profit from AMF, both in terms of growth promotion in the absence of a pathogen and pathogen protection. The function of {AMF} is highly species-specific, but tends to be similar for more closely related plant species, suggesting a phylogenetic component of mycorrhizal function. Further studies should test a wider range of plant species, as our study was restricted to one plant family, and investigate whether plants profit from early mycorrhizal benefits in the long term.

Die meisten Pflanzenarten bilden Symbiosen mit arbuskulärer Mykorrhiza, da sie so von einer verbesserten Phosphorverfügbarkeit und von einem Schutz vor Pathogenen profitieren. Zwar wurde Mykorrhiza-induzierter Schutz vor Pathogenen für landwirtschaftlich genutzte Arten gut untersucht, jedoch ist die Bedeutung dieses Nutzens für Wildpflanzen unklar. Viele Pathogene befallen Pflanzen in den ersten Tagen nach der Keimung. Daher könnte Mykorrhiza-induzierter Schutz insbesondere für die Etablierung von Pflanzen wichtig sein. In dieser Studie untersuchten wir in einem vollfaktoriellen Experiment interagierende Effekte von arbuskulärer Mykorrhiza und dem Pathogen Pythium ultimum auf das Pflanzenwachstum von Keimlingen von sechs Wildpflanzenarten, die der Familie der Asteraceaen angehören. Die sechs Pflanzenarten unterschieden sich in ihrer Reaktion auf Mykorrhiza, dem Pathogen und deren Interaktion. Mykorrhiza hatte auf eine Pflanzenart einen positiven und der Pathogen auf drei Arten einen negativen Effekt. Zwei Arten erfuhren einen negativen Einfluss von Mykorrhiza in Abwesenheit des Pathogen und einen positiven Einfluss in Anwesenheit des Pathogens, was auf Mykorrhiza-induzierten Schutz hindeutet. Diese Schutzfunktion ist insbesondere überraschend, da wir keine mykorrhizale Strukturen in den Pflanzenwurzeln finden konnten. Unsere Resultate zeigen, dass sogar Keimlinge ohne etabliertem intrazellulärem Hyphennetzwerk von arbuskulärer Mykorrhiza profitieren können, sowohl mittels direktem Biomassezuwachs als auch indirekt über Mykorrhiza-induzierten Pathogenschutz. Die Funktion von Mykorrhiza variiert zwischen Pflanzenarten, ist jedoch tendenziell ähnlich für nahe verwandte Arten, was auf eine phylogenetische Komponente hindeutet. Da unsere Untersuchung sich auf die Familie der Asteraceaen beschränkte, sollten weiterführende Experimente Pflanzenarten aus verschiedenen Familien miteinbeziehen und den Langzeiteffekt der mykorrhizalen Vorteile im Keimlingsstadium untersuchen.