Predicting community and ecosystem outcomes of mycorrhizal responses to global change.

Mycorrhizal symbioses link the biosphere with the lithosphere by mediating nutrient cycles and energy flow though terrestrial ecosystems. A more mechanistic understanding of these plant-fungal associations may help ameliorate anthropogenic changes to C and N cycles and biotic communities. We explore three interacting principles: (1) optimal allocation, (2) biotic context and (3) fungal adaptability that may help predict mycorrhizal responses to carbon dioxide enrichment, nitrogen eutrophication, invasive species and land-use changes. Plant-microbial feedbacks and thresholds are discussed in light of these principles with the goal of generating testable hypotheses. Ideas to develop large-scale collaborative research efforts are presented. It is our hope that mycorrhizal symbioses can be effectively integrated into global change models and eventually their ecology will be understood well enough so that they can be managed to help offset some of the detrimental effects of anthropogenic environmental change.

Over-expression of PHO1 in Arabidopsis leaves reveals its role in mediating phosphate efflux.

Inorganic phosphate (Pi) homeostasis in multi-cellular eukaryotes depends not only on Pi influx into cells, but also on Pi efflux. Examples in plants for which Pi efflux is crucial are transfer of Pi into the xylem of roots and release of Pi at the peri-arbuscular interface of mycorrhizal roots. Despite its importance, no protein has been identified that specifically mediates phosphate efflux either in animals or plants. The Arabidopsis thaliana PHO1 gene is expressed in roots, and was previously shown to be involved in long-distance transfer of Pi from the root to the shoot. Here we show that PHO1 over-expression in the shoot of A. thaliana led to a two- to threefold increase in shoot Pi content and a severe reduction in shoot growth. (31) P-NMR in vivo showed a normal initial distribution of intracellular Pi between the cytoplasm and the vacuole in leaves over-expressing PHO1, followed by a large efflux of Pi into the infiltration medium, leading to a rapid reduction of the vacuolar Pi pool. Furthermore, the Pi concentration in leaf xylem exudates from intact plants was more than 100-fold higher in PHO1 over-expressing plants compared to wild-type. Together, these results show that PHO1 over-expression in leaves leads to a dramatic efflux of Pi out of cells and into the xylem vessel, revealing a crucial role for PHO1 in Pi efflux.

Mycorrhizal symbioses: how to be seen as a good fungus.

Plants continually encounter many microorganisms. Some are good, but many are bad. Two studies show how beneficial fungi tell the plant to let them in and how the fungus avoids setting off the plant's defense reaction.

Evolutionary forces affect multigenomic arbuscular mycorhizal fungi : an experimental approach using Glomus intraradices

Abstract Arbuscular Mycorhizal Fungi (AMF) are important plant symbionts that can improve floristic diversity and ecosystem productivity. These important fungi are obligate biotrophs and form symbioses with roots of the majority of plant species, improving plant nutrient acquisition in exchange of photosynthates. AM fungi are successful both ecologically as they occupy a very large spectrum of environments as well as host range and evolutionarily, as this symbiosis is over 400 million years old. These fungi grow and reproduce clonally by hyphae and multinucleate spores. AMF are coenocytic and recent work has shown that they harbor genetically different nuclei and that AMF populations are genetically diverse. How AMF species diversity is maintained has been addressed theoretically and experimentally at the community level. Much less attention has been drawn to understand how genetic diversity is maintained within populations although closely related individuals are more likely to compete for the same resources and occupy similar niches. How infra-individual genetic diversity is shaped and maintained has received even less attention. In Chapter 2, we show that individuals from a field population may differ in their symbiotic efficiency under reduced phosphate availability: We show there is genetic variation in an AMF field population for fitness-related growth traits in response to different phosphate availability acid host species. Furthermore, AFLP fingerprints of the same individuals growing in contrasting environments diverged suggesting that the composition in nuclei of AMF is dynamical and affected by environmental factors. Thus environmental heterogeneity is likely to play an important role for the maintenance of genetic diversity at the population level. In Chapter 3 we show that single spores do not inherit necessarily the same genetic material. We have found genetic divergences using two different types of molecular marker, as well as phenotypic divergences among single spore lines. Our results stress the importance of considering these organisms as a multilevel hierarchical system and of better knowing their life cycle. They have important consequences for the understanding of AMF genetics, ecology and the development of commercial AMF inocculum. Résumé Les champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) sont d'importants symbiontes pour les plantes, car ils augmentent la diversité et la productivité des écosystèmes. Ces importants symbiontes sont des biotrophes obligatoires et forment une symbiose avec la plupart des plantes terrestres. Ils améliorent l'acquisition de substances nutritives de leurs hôtes en échange de sucres obtenus par photosynthèse. Ces champignons ont un grand succès écologique, ils colonisent une grande rangée d'environnements ainsi que d'hôtes. Ils ont aussi un succès évolutif certain de part le fait que cette symbiose existe depuis plus de 400 millions d'années. Les CEA sont asexués et croissent clonalement en formant des hyphes et des spores multinuclées. Les CEA sont des coenocytes et des travaux de recherche récents ont montré qu'ils possèdent des noyaux génétiquement différents. D'autres travaux ont aussi révélé que les populations de CEA sont génétiquement diversifiées. Comment la diversité des CEA est maintenue a seulement été adressée par des études théoriques et expérimentalement au niveau des communautés. Très peu d'attention a été portée sur le maintien de la diversité génétique infra et inter populationnelle, or ce sont les individus les plus proches génétiquement qui vont entrer en compétition pour des ressources et niches similaires. La formation et le maintien de la diversité intra-individu des CEA a reçu très peu d'attention. Dans le chapitre 2, nous montrons que des individus CEA d'un même champ différent dans leur efficacité symbiotique lorsque la concentration en phosphoré est réduite. Nous montrons qu'il existe de la variance génétique dans une population de CEA provenant d'un même champ en réponse à différentes concentrations de phosphore, ainsi qu'en réponse à différentes espèces d'hôtes, et ceci pour des traits de croissance vraisemblablement liés au succès reproducteur. De plus grâce à des AFLP nous avons pu montrer que le génome de ces individus subissent des changements lorsqu'ils croissent dans des environnements contrastés. Ceci suggère que les noyaux génétiquement différents des CEA sont des entités dynamiques. Il est fort probable que l'hétérogénéité environnementale joue un rôle dans le maintien de la diversité génétique des populations de CEA. Dans le chapitre 3, nous montrons que toutes les spores d'un même mycélium parental de CEA ne reçoivent pas exactement le même contenu génétique. Nous avons mis en évidence des divergences entre des Lignées monosporales en utilisant deux types de marqueur moléculaires, ainsi que des différences phénotypiques. Nos résutats soulignent l'importance de considézer ces organismes comme dés systëmes hiérarchiques mufti-niveaux, ainsi que de mieux connaître leur cycle de vie. Nos résultats ont d'importantes conséquences pour la compréhension du système génétique des CEA, ainsi que de leur évolution, leur écológie, mais également des conséquences pour la production d' inoccultim commercial.

Efeito do fósforo, fumigação do substrato e fungo micorrízico arbuscular sobre o crescimento de plantas de mamoeiro

Estudou-se o efeito da inoculação com o fungo micorrízico arbuscular (FMA), Glomus macrocarpum, da fumigação do substrato e da adição de fósforo solúvel (60, 120, 240 e 480 mg kg-1 de P no solo) sobre as variáveis altura, número de folhas e diâmetro do caule de plantas de mamoeiro cv. Sunrise Solo.O FMA edoses crescentes de fósforo, isoladamente, exerceram efeitos significativos sobre essas variáveis. Não houve efeito significativo do fator fumigação do substrato. O efeito da inoculação foi mais acentuado no tratamento com adição de 60 mg kg-1 de P no solo. A inoculação com G. macrocarpum reduziu a necessidade de fósforo para o mamoeiro, tanto que as variáveis estudadas em plantas inoculadas na ausência de adubação fosfática não diferiram de plantas não inoculadas em substrato adicionado de mais de 240 mg kg-1 de P no solo.

Predicting root defence against herbivores during succession

P>1. Root herbivores and pathogens interfere with basic below-ground plant function, and can thereby affect plant fitness and spatial and temporal patterns in natural plant communities. However, there has been little development of concepts and theories on below-ground plant defence, a deficit that is in contrast to the abundance of theorizing for above-ground plant parts.2. A review of the past 10 years of research on below-ground plant-herbivore interactions has revealed that, similar to above-ground tissues, root defences can be expressed constitutively or induced upon herbivore attack, and can be classified into direct and indirect traits, tolerance, and escape. Indeed, it has been shown that roots tolerate herbivory by outgrowing or re-growing lost tissues, or resist it by producing secondary metabolites that are toxic to herbivores or attract natural enemies of herbivores.3. We propose that, similar to above-ground plant-herbivore theories, the partition of abiotic and biotic factors over ecological succession can serve as the basis for predicting investment in defence strategies below-ground.4. Investigation of herbivore pressure and root responses along primary and secondary successional gradients suggests that: (i) roots are often fast growing, thinner and softer in early compared to later succession. (ii) Insect and nematode herbivore pressure increases until mid-succession and later decreases. (iii) Mycorrhizal abundance increases with succession, and the composition of fungal species changes through succession, often shifting from arbuscular mycorrhizae to ecto-mycorrhizae.5. Based on these findings, and on classical (above-ground) plant defence theory, we suggest the following set of testable hypotheses for below-ground plant defence: (i) During succession, early plants invest most of their resources in growth and less in defences (associated with a general lack of herbivores and pathogens, and with limited availability of resources in the system), therefore relying more on re-growth (tolerance) strategies. (ii) During mid-succession, a buildup of herbivore pressure facilitates replacement by plant species that exhibit greater direct and indirect defence strategies. (iii) Constitutive and inducible levels of defences may trade-off, and early successional plants should rely more on induction of defences after herbivore attack, whereas late successional plants will increasingly rely on constitutively produced levels of physical and chemical defence. (iv) Successional changes in microbial associations have consequences for root defence by improving plant nutrition and defence expression as well as directly competing for root space; however, toxic or impenetrable root defences may also limit association with root symbionts, and so may constrain the expression of root defence.

Interação de chumbo, da saturação por bases do solo e de micorriza arbuscular no crescimento e nutrição mineral da soja

Existem divergências sobre o efeito do fungo micorrízico arbuscular (FMA) na absorção de metais pesados pelas plantas. Isso pode ser atribuído não só às diferenças na disponibilidade do metal no solo, espécie de FMA e de planta, mas também às possíveis interações que ocorrem entre estes e os demais fatores ambientais. Realizou-se um experimento em casa de vegetação, com a finalidade de avaliar o efeito da inoculação de FMAe da saturação por bases do solo sobre o crescimento, nutrição e absorção de Pb em soja crescida em um Latossolo Vermelho-Amarelo. Os tratamentos consistiram de inoculação, ou não, de Glomus macrocarpum, duas doses de calcário, elevando a saturação por bases do solo a 63 e 82 %, e cinco doses de Pb (0; 7,5; 37,5; 150 e 300 mg dm-3), utilizando-se como fonte Pb(NO3)2. A inoculação do FMA aumentou a produção de matéria seca da parte aérea das plantas, as quais também apresentaram maiores teores de P e maiores quantidades acumuladas de P, Ca, Mg, Mn, Fe e Zn. A produção de matéria seca da soja micorrizada reduziu linearmente com o aumento da dose de Pb adicionada, em ambas as saturações por bases. No solo com menor V %, a colonização radicular pelo FMA diminuiu 40 % na maior dose de Pb adicionada, o teor de Pb na parte aérea da soja foi cinco vezes maior e as plantas micorrizadas apresentaram um teor de Pb 30 % menor do que as não micorrizadas. A adição de Pb afetou tanto o estabelecimento quanto o desempenho da simbiose. O FMA teve papel relevante na diminuição da concentração do Pb na parte aérea da soja, no solo com menor saturação por bases, conferindo tolerância à planta em uma condição de excesso de metal pesado no solo.

Micorriza arbuscular e nutrição fosfática na toxidez de zinco para a trema [Trema micrantha (L.) Blum.]

O objetivo deste trabalho foi avaliar os efeitos de micorriza arbuscular, do estado nutricional de P da planta e de concentrações crescentes de P em solução nutritiva na toxidez de Zn para Trema micrantha (L.) Blum. Em um primeiro experimento, mudas de trema foram formadas em substrato que continha doses crescentes de P [0, 100, 200 e 400 mg dm-3 na forma de Ca(H2PO4)2] e um tratamento de inoculação com Glomus etunicatum (Ge). Após crescimento por 60 dias, as mudas foram transferidas para vasos com solução nutritiva de Clark, que continha 2, 75, 150 e 225 µmol L-1 de Zn, e mantidas por mais 40 dias, quando foram colhidas e avaliadas. Os efeitos do P na amenização da fitotoxidez de Zn foram avaliados em outro experimento, aplicando-se, simultaneamente e de forma combinada em solução, doses de P (0,07; 0,5; 1 e 2 mmol L-1 fornecido por diferentes fontes) e de Zn (2, 75, 150 e 225 µmol L-1 na forma de ZnSO4.7H2O), nas quais foram cultivadas mudas de trema por 40 dias. Houve acentuada inibição no crescimento e na colonização micorrízica da trema em doses elevadas de Zn em solução (150 e 225 µmol L-1). Constatou-se que a melhoria da nutrição fosfática reduziu a translocação do Zn das raízes para a parte aérea, mas isto, assim como a colonização micorrízica, não resultou em favorecimento do crescimento da planta em condições de excesso deste metal em solução. No segundo experimento, verificou-se que a elevação na concentração de P em solução nutritiva promoveu melhoria no estado nutricional de P, conferindo proteção à planta do excesso de Zn. Como a especiação química da solução indicou que a aplicação de P não interferiu, de modo significativo, nas formas de Zn em solução, os resultados indicam que a ação amenizante do P ocorre na planta, possivelmente reduzindo a translocação do Zn das raízes para a parte aérea.

Phosphatase activity in sandy soil influenced by mycorrhizal and non-mycorrhizal cover crops

Cover crops may difffer in the way they affect rhizosphere microbiota nutrient dynamics. The purpose of this study was to evaluate the effect of mycorrhizal and non-mycorrhizal cover crops on soil phosphatase activity and its persistence in subsequent crops. A three-year experiment was carried out with a Typic Quartzipsamment. Treatments were winter species, either mycorrhizal black oat (Avena strigosa Schreb) or the non-mycorrhizal species oilseed radish (Raphanus sativus L. var. oleiferus Metzg) and corn spurry (Spergula arvensis L.). The control treatment consisted of resident vegetation (fallow in the winter season). In the summer, a mixture of pearl millet (Pennisetum americanum L.) with sunnhemp (Crotalaria juncea L.) or with soybean (Glycine max L.) was sown in all plots. Soil cores (0-10 cm) and root samples were collected in six growing seasons (winter and summer of each year). Microbial biomass P was determined by the fumigation-extraction method and phosphatase activity using p-nitrophenyl-phosphate as enzyme substrate. During the flowering stage of the winter cover crops, acid phosphatase activity was 30-35 % higher in soils with the non-mycorrhizal species oilseed radish, than in the control plots, regardless of the amount of P immobilized in microbial biomass. The values of enzyme activity were intermediate in the plots with corn spurry and black oat. Alkaline phosphatase activity was 10-fold lower and less sensitive to the treatments, despite the significant relationship between the two phosphatase activities. The effect of plant species on the soil enzyme profile continued in the subsequent periods, during the growth of mycorrhizal summer crops, after completion of the life cycle of the cover crops.

Total fatty acid composition in the characterization and identification of orchid mycorrhizal fungi Epulorhiza spp.

Rhizoctonia-like fungi are the main mycorrhizal fungi in orchid roots. Morphological characterization and analysis of conserved sequences of genomic DNA are frequently employed in the identification and study of fungi diversity. However, phytopathogenic Rhizoctonia-like fungi have been reliably and accurately characterized and identified through the examination of the fatty acid composition. To evaluate the efficacy of fatty acid composition in characterizing and identifying Rhizoctonia-like mycorrhizal fungi in orchids, three Epulorhiza spp. mycorrhizal fungi from Epidendrum secundum, two unidentified fungi isolated from Epidendrum denticulatum, and a phytopathogenic fungus, Ceratorhiza sp. AGC, were grouped based on the profile of their fatty acids, which was assessed by the Euclidian and Mahalanobis distances and the UPGMA method. Dendrograms distinguished the phytopathogenical isolate of Ceratorhiza sp. AGC from the mycorrhizal fungi studied. The symbionts of E. secundum were grouped into two clades, one containing Epulorhiza sp.1 isolates and the other the Epulorhiza sp.2 isolate. The similarity between the symbionts of E. denticulatum and Epulorhiza spp. fungi suggests that symbionts found in E. denticulatum may be identified as Epulorhiza. These results were corroborated by the analysis of the rDNA ITS region. The dendrogram constructed based on the Mahalanobis distance differentiated the clades most clearly. Fatty acid composition analysis proved to be a useful tool for characterizing and identifying Rhizoctonia-like mycorrhizal fungi.

Tolerância e potencial fitorremediador de Stizolobium aterrimum associada ao fungo micorrízico arbuscular Glomus etunicatum em solo contaminado por chumbo

A poluição do solo com metais pesados tem aumentado significativamente nos últimos anos, devido à ação antrópica. Diversas técnicas podem ser utilizadas para reverter ou minimizar a condição de contaminação do solo, porém muitas delas são prejudiciais ao solo. Uma alternativa é a utilização da fitorremediação, já que as plantas possuem a capacidade de absorver elementos do solo e, dessa maneira, promover sua descontaminação com teores excessivos de metais e outros elementos potencialmente tóxicos. A associação de plantas com fungos micorrízicos arbusculares (FMAs) pode influenciar a absorção desses elementos. Com o objetivo de avaliar o potencial fitorremediador de plantas de Stizolobium aterrimum associadas ou não a FMAs em solos com concentrações crescentes de Pb, realizou-se um experimento sob condições de casa de vegetação, em esquema fatorial 4 x 2. Os tratamentos consistiram na adição de quatro doses de Pb (0, 250, 500 e 1.000 mg dm-3) e da inoculação ou não de FMA. Os resultados mostraram que a planta foi tolerante ao Pb nas doses utilizadas. A associação com FMA não influenciou a absorção de Pb pela planta. No entanto, a micorrização influenciou a fixação biológica de N2, observando-se maior atividade da enzima nitrogenase em plantas micorrizadas. Apesar dos bons resultados obtidos com relação à tolerância dessa planta ao Pb, mais estudos precisam ser realizados acerca da absorção desse elemento, principalmente em solo multicontaminado, que é a realidade encontrada em sistemas poluídos.

Micorriza arbuscular e a tolerância das plantas ao estresse

Fungos micorrízicos arbusculares (FMAs) são fungos de solo, biotróficos obrigatórios e formadores da simbiose mutualista mais comum na natureza: a micorriza arbuscular (MA). Essa associação ocorre nas raízes da maioria das plantas terrestres, promovendo melhorias no crescimento, desenvolvimento e aumento na tolerância e, ou, resistência das plantas a vários agentes ambientais adversos. Além disso, os FMAs podem ser utilizados como potenciais agentes de controle biológico de doenças de plantas. Esses fungos produzem ainda glomalina, uma proteína que desempenha papel fundamental na estabilidade do solo e bioestabilização de solos contaminados. As diferentes respostas das plantas a essa simbiose podem ser atribuídas à diversidade funcional das MAs, em função da interação FMA-planta-condições ambientais. O estabelecimento e funcionamento da MA durante as condições de estresse envolvem um complexo processo de reconhecimento e desenvolvimento, concomitantemente às alterações bioquímicas, fisiológicas e moleculares em ambos os simbiontes. Além disso, a colonização micorrízica das raízes tem impacto significativo na expressão de genes de diversas plantas que codificam proteínas presumivelmente envolvidas na tolerância ao estresse. Nesse contexto, considerando que os FMAs são essenciais no estabelecimento e adaptação das plantas em locais perturbados, nesta revisão são abordados os mecanismos fisiológicos e moleculares da associação MA responsáveis por essa adaptação e pela maior tolerância das plantas ao estresse.

Influência da colonização micorrízica arbuscular sobre a nutrição do quiabeiro

Foram estudados em casa de vegetação alguns parâmetros de crescimento em plantas de quiabo (Abelmoschus esculentus (L.) Moench cv. Piranema) colonizadas por dois grupos de fungos micorrízicos arbusculares, com o objetivo de determinar a influência dos inóculos na nutrição e morfologia radicular do quiabeiro. Um grupo continha apenas esporos de Acaulospora longula (A) enquanto o outro, esporos de oito espécies: Glomus occultum, Glomus aggregatum, Glomus microcarpum, Acaulospora longula, Acaulospora morrowae, Sclerocystis coremioides, Sclerocystis sinuosa, Scutellospora pellucida. As plantas foram submetidas a três níveis de P (0, 10 e 60 kg ha-1 de P2O5) e coletadas em três diferentes idades (22, 32 e 47 dias), com quatro repetições para cada tratamento. Foi determinado o acúmulo de N, P, K, e Mg na raiz e parte aérea, bem como o influxo médio desses elementos e a área radicular. Os resultados indicaram, além da resposta positiva do quiabeiro ao P, uma maior eficiência da inoculação com mistura de espécies apesar de o influxo médio, determinado aos 47 dias, apresentar maiores valores para o tratamento com A. longula.

Micorriza arbuscular e fertilização do solo no desenvolvimento pós-transplante de mudas de sete espécies florestais

Mudas de sete espécies florestais foram formadas em substrato de viveiro sem e com inoculação da mistura de fungos micorrízicos arbusculares (Glomus etunicatum, Gigaspora margarita e Acaulospora scrobiculata) e transplantadas para vasos com um solo Latossolo Vermelho-Escuro com alta e baixa fertilização com NPK e submetidas, ou não, a nova inoculação. Verificou-se, após 90 dias, que tanto a inoculação na formação quanto a inoculação no transplantio garantiu elevada colonização micorrízica (>70%), estimulou o crescimento e aumentou os teores de alguns nutrientes nas plantas. Os efeitos no crescimento variaram entre as espécies e tratamentos, atingindo incrementos de matéria seca de até 800% em Colvillea racemosa. Plantas sem inoculação na formação e no transplantio, apresentaram crescimento reduzido, mesmo no solo com alta fertilidade, enquanto as plantas com inoculação na formação cresceram mais rapidamente, independentemente da reinoculação. A elevação da fertilidade não aumentou a matéria seca da parte aérea de Luehea grandiflora, Senna macranthera e Enterolobium contortisiliquum. Em Cecropia pachystachya aumentou apenas quando as mudas não foram submetidas a inoculação. Em Senna multijuga e em C. racemosa, a matéria seca da parte aérea aumentou quando as mudas foram submetidas a inoculação e em Sesbania virgata, aumentou em todos os tratamentos. Apenas C. racemosa não respondeu à inoculação no transplantio.