Responses of soil microbial communities to clonal variation of Norway spruce

In boreal forests, microorganisms have a pivotal role in nutrient and water supply of trees as well as in litter decomposition and nutrient cycling. This reinforces the link between above-ground and below-ground communities in the context of sustainable productivity of forest ecosystems. In northern boreal forests, the diversity of microbes associated with the trees is high compared to the number of distinct tree species. In this thesis, the aim was to study whether conspecific tree individuals harbour different soil microbes and whether the growth of the trees and the community structure of the associated microbes are connected. The study was performed in a clonal field trial of Norway spruce, which was established in a randomized block design in a clear-cut area. Since out-planting in 1994, the spruce clones showed two-fold growth differences. The fast-growing spruce clones were associated with a more diverse community of ectomycorrhizal fungi than the slow-growing spruce clones. These growth performance groups also differed with respect to other aspects of the associated soil microorganisms: the species composition of ectomycorrhizal fungi, in the amount of extraradical fungal mycelium, in the structure of bacterial community associated with the mycelium, and in the structure of microbial community in the organic layer. The communities of fungi colonizing needle litter of the spruce clones in the field did not differ and the loss of litter mass after two-years decomposition was equal. In vitro, needles of the slow-growing spruce clones were colonized by a more diverse community of endophytic fungi that were shown to be significant needle decomposers. This study showed a relationship between the growth of Norway spruce clones and the community structure of the associated soil microbes. Spatial heterogeneity in soil microbial community was connected with intraspecific variation of trees. The latter may therefore influence soil biodiversity in monospecific forests.

Pohjoisen havumetsävyöhykkeen puut elävät symbioosissa tiettyjen maaperäsienien kanssa muodostaen sienijuuria eli mykorritsoja. Symbioosissa mykorritsasieni luovuttaa isäntäpuulleen ravinteita ja vettä. Puu puolestaan tarjoaa sienelle energianlähteeksi yhteyttämistuotteita. Toinen tärkeä mikrobiryhmä metsämaassa on karikkeenhajottajasienet, jotka hajottavat kuollutta orgaanista materiaalia vapauttaen siten ravinteita uudelleen käytettäväksi. Voidaankin todeta, että metsäekosysteemin maanpäällinen eliöyhteisö on jatkuvassa vuorovaikutuksessa maanalaisen eliöyhteisön kanssa ja että maaperän mikro-organismit ovat avainasemassa boreaalisten metsiemme kasvun ja hyvinvoinnin kannalta. Vaikka maaperän mikrobiyhteisö on hyvin lajirikas, on mikrobien kanssa vuorovaikutussuhteessa elävien puulajien lukumäärä metsissämme pieni. Syitä maaperän mikrobiyhteisön monimuotoisuuteen ja laikuittaisuuteen jopa yhden puulajin metsiköissä ei ole täysin osattu selittää, eikä puuyksilöiden vaikutuksesta maaperän mikrobistoon ole juurikaan tutkimustietoa. Tutkimus osoitti, että saman puulajin eri yksilöt voivat vaikuttaa eri tavalla metsämaan mikrobiyhteisöön. Mikrobiyhteisöiden rakenteet erosivat nopeasti ja hitaasti kasvavien kuusiyksilöiden alla ja puiden kasvunopeus oli sitä suurempi mitä monimuotoisempi mykorritsayhteisö niiden juurissa eli. Näin ollen puulajin sisäinen geneettinen vaihtelu saattaa osittain selittää mikrobien laikuittaisuutta ja lajirunsautta metsämaassa. Mykorritsayhteisön monimuotoisuus voi edistää isäntäpuun kasvua mutta lisätutkimuksia kuitenkin tarvitaan, jotta voitaisiin arvioida todellisia syy-seuraussuhteita puiden kasvun ja mykorritsamonimuotoisuuden välillä. Tutkimus tehtiin avohakkuualueelle perustetulla kuusikloonikokeella, jossa eri geeniperimää edustavat kloonatut kuuset oli istutettu 1994 satunnaisesti eri puolille koealaa kolmeen lohkoon. Tutkittujen kahdeksan eri kuusikloonin pituuserot ovat keskimäärin kaksinkertaisia. Alkuperältään kuuset ovat suomalaisten pluspuiden sekä suomalais-saksalaisten risteytysten vapaapölytteisiä jälkeläisiä. Mykorrisasienilajisto tunnistettiin DNA-menetelmillä sekä juuri- että sienirihmastonäytteistä. Neulasten hajoamisnopeutta sekä hajottajasienien yhteisöä tarkasteltiin kenttä- ja laboratoriokokeilla, joissa sienilajiston tunnistus perustui uuteen RNA-menetelmään. Tällä RNA-perustaisella sieniyhteisön analysoinnilla voitiin nimenomaan tunnistaa aktiiviset ja siten hajotuksessa tärkeät sienilajit. Lisäksi maaperämikrobien yhteisörakennetta ja aktiivisuutta tutkittiin biokemiallisilla menetelmillä.