Soil food web properties explain ecosystem services across European land use systems

Intensive land use reduces the diversity and abundance of many soil biota, with consequences for the processes that they govern and the ecosystem services that these processes underpin. Relationships between soil biota and ecosystem processes have mostly been found in laboratory experiments and rarely are found in the field. Here, we quantified, across four countries of contrasting climatic and soil conditions in Europe, how differences in soil food web composition resulting from land use systems (intensive wheat rotation, extensive rotation, and permanent grassland) influence the functioning of soils and the ecosystem services that they deliver. Intensive wheat rotation consistently reduced the biomass of all components of the soil food web across all countries. Soil food web properties strongly and consistently predicted processes of C and N cycling across land use systems and geographic locations, and they were a better predictor of these processes than land use. Processes of carbon loss increased with soil food web properties that correlated with soil C content, such as earthworm biomass and fungal/bacterial energy channel ratio, and were greatest in permanent grassland. In contrast, processes of N cycling were explained by soil food web properties independent of land use, such as arbuscular mycorrhizal fungi and bacterial channel biomass. Our quantification of the contribution of soil organisms to processes of C and N cycling across land use systems and geographic locations shows that soil biota need to be included in C and N cycling models and highlights the need to map and conserve soil biodiversity across the world.

A novel plant-fungus symbiosis benefits the host without forming mycorrhizal structures

Most terrestrial plants form mutually beneficial symbioses with specific soil-borne fungi known as mycorrhiza. In a typical mycorrhizal association, fungal hyphae colonize plant roots, explore the soil beyond the rhizosphere and provide host plants with nutrients that might be chemically or physically inaccessible to root systems. Here, we combined nutritional, radioisotopic (33P) and genetic approaches to describe a plant growth promoting symbiosis between the basidiomycete fungus Austroboletus occidentalis and jarrah (Eucalyptus marginata), which has quite different characteristics. We show that the fungal partner does not colonize plant roots; hyphae are localized to the rhizosphere soil and vicinity and consequently do not transfer nutrients located beyond the rhizosphere. Transcript profiling of two high-affinity phosphate (Pi) transporter genes (EmPHT1;1 and EmPHT1;2) and hyphal-mediated 33Pi uptake suggest that the Pi uptake shifts from an epidermal to a hyphal pathway in ectomycorrhizal plants (Scleroderma sp.), similar to arbuscular mycorrhizal symbioses, whereas A. occidentalis benefits its host indirectly. The enhanced rhizosphere carboxylates are linked to growth and nutritional benefits in the novel symbiosis. This work is a starting point for detailed mechanistic studies on other basidiomycete–woody plant relationships, where a continuum between heterotrophic rhizosphere fungi and plant beneficial symbioses is likely to exist.

Dual mycorrhizal associations of jarrah (Eucalyptus marginata) in a nurse-pot system

Jarrah (Eucalyptus marginata Donn ex Sm.) plants, like many other eucalypts, can form symbiotic associations with both arbuscular mycorrhizal (AM) and ectomycorrhizal (ECM) fungi. To study this tripartite relationship we developed a novel nurse-pot system to allow us to investigate the extent and temporal colonisation dynamics of jarrah by two AM species (Rhizophagus irregularis (Błaszk., Wubet, Renker & Buscot) C. Walker & A. Schüßler comb. nov. and Scutellospora calospora Nicol. & Gerd.) and two putative ECM species (Austroboletus occidentalis Watling & N.M. Greg. and Scleroderma sp.) and their potential effects on jarrah growth and nutrition. Our nurse-pot system, using jarrah as both the nurse plant and test plant, was developed to establish extraradical hyphal networks of both AM and ECM fungi that act as single or dual inoculum for test plants. Mycorrhizal colonisation was described and quantified, and growth and nutritional effects measured and analysed. Mycorrhizal colonisation increased with time for the test seedlings exposed to hyphae networks from S. calospora and Scleroderma sp. The nurse-pot system was effective at initiating colonisation of functioning AM or (putative) ECM systems separately but the ECM symbiosis was inhibited where a dual AM + ECM inoculum (R. irregularis and Scleroderma sp.) was present. The presence of S. calospora, A. occidentalis and Scleroderma sp. individually significantly increased the shoot biomass of seedlings compared with non-mycorrhizal controls. The two AM isolates had different physiological effects on jarrah plants. S. calospora improved growth and micronutrient uptake of jarrah seedlings whereas no positive response was observed with R. irregularis. In addition, as an interesting observation, the non-responsive AM fungus R. irregularis suppressed the ECM symbiosis in dually inoculated plants where ECM structures, positive growth response and nutritional effects were absent. When inoculated individually, ECM isolates dominated the growth response and uptake of P and other nutrients in this dual symbiotic plant. Despite the positive growth response in the A. occidentalis treatment, ECM structures were not observed in either nurse or test seedlings. From the effects of A. occidentalis on jarrah we hypothesise that this fungus forms a functional mycorrhizal-type partnership even without forming archetypal structures in and on the root

The cooler side of mycorrhizas: their occurrence and functioning at low temperatures

Mycorrhizal associations occur in a range of habitats in which soils are subject to low temperature (≤15 °C) for a significant part of the year. Despite this, most of our understanding of mycorrhizal fungi and their interactions with their plant hosts is based on physiological investigations conducted in the range 20–37 °C using fungi of temperate origin. Comparatively little consideration has been given to the cold edaphic conditions in which many mycorrhizas survive and prosper, and the physiological and ecological consequences of their low temperature environments. In this review, we consider the distribution and persistence of arbuscular and ectomycorrhizal mycorrhizal associations in cold environments and highlight progress in understanding adaptations to freezing resistance and nutrient acquisition at low temperature in mycorrhizal fungi.

Inter-plant communication through mycorrhizal networks mediates complex adaptive behaviour in plant communities

Adaptive behaviour of plants, including rapid changes in physiology, gene regulation and defence response, can be altered when linked to neighbouring plants by a mycorrhizal network (MN). Mechanisms underlying the behavioural changes include mycorrhizal fungal colonization by the MN or interplant communication via transfer of nutrients, defence signals or allelochemicals. We focus this review on our new findings in ectomycorrhizal ecosystems, and also review recent advances in arbuscular mycorrhizal systems. We have found that the behavioural changes in ectomycorrhizal plants depend on environmental cues, the identity of the plant neighbour and the characteristics of the MN. The hierarchical integration of this phenomenon with other biological networks at broader scales in forest ecosystems, and the consequences we have observed when it is interrupted, indicate that underground ‘tree talk’ is a foundational process in the complex adaptive nature of forest ecosystems.

Piriformospora indica reduces Fusarium head blight disease severity and mycotoxin DON contamination in wheat under UK weather conditions

Piriformospora indica (Sebacinaceae) is a cultivable root endophytic fungus. It colonises the roots of a wide range of host plants. In many settings colonisation promotes host growth, increases yield and protects the host from fungal diseases. We evaluated the effect of P. indica on Fusarium head blight (FHB) disease of winter (cv. Battalion) and spring (cv. Paragon, Mulika, Zircon, Granary, KWS Willow and KWS Kilburn) wheat and consequent contamination by the mycotoxin deoxynivalenol (DON) under UK weather conditions. Interactions of P. indica with an arbuscular mycorrhizal fungus (Funneliformis mosseae), fungicide application (Aviator Xpro) and low and high fertiliser levels were considered. P. indica application reduced FHB disease severity and incidence by 70%. It decreased mycotoxin DON concentration of winter and spring wheat samples by 70% and 80% respectively. P. indica also increased above ground biomass, 1000 grain weight and total grain weight. P. indica reduced disease severity and increased yield in both high and low fertiliser levels. The effect of P. indica was compatible with F. mosseae and foliar fungicide application. P. indica did not have any effects on plant tissue nutrients. These results suggest that P. indica might be useful in biological control of Fusarium diseases of wheat.

EVALUATION OF METAL TOXICITY BY A MODIFIED METHOD BASED ON THE FUNGUS GERRONEMA VIRIDILUCENS BIOLUMINESCENCE IN AGAR MEDIUM

Metal cation toxicity to basidiomycete fungi is poorly understood, despite its well-known importance in terrestrial ecosystems. Moreover, there is no reported methodology for the routine evaluation of metal toxicity to basidiomycetes. In the present study, we describe the development of a procedure to assess the acute toxicity of metal cations (Na(+), K(+), Li(+), Ca(2+), Mg(2+), Co(2+), Zn(2+), Ni(2+), Mn(2+), Cd(2+), and Cu(2+)) to the bioluminescent basidiomycete fungus Gerronema viridilucens. The method is based on the decrease in the intensity of bioluminescence resulting from injuries sustained by the fungus mycelium exposed to either essential or nonessential metal toxicants. The assay described herein enables LIS to propose a metal toxicity series to Gerronenia viridilucens based on data obtained from the bioluminescence intensity (median effective concentration [EC50] values) versus metal concentration: Cd(2+) > Cu(2+) > Mn(2+) approximate to Ni(2+) approximate to Co(2+) > Zn(2+) > Mg(2+) > Li(+) > K(+) approximate to Na(+) > Ca(2+), and to shed some li-ht on the mechanism of toxic action of metal cations to basidiomycete fungi. Environ. Toxicol. Chem. 2010;29:320-326. (C) 2009 SETAC

Efeito da sucessão com leguminosas sob diferentes níveis de calagem no desenvolvimento e micorrização do trigo

Estudou-se, em areia quartzosa, em Assis (SP), a influência da calagem e de leguminosas para adubação verde sobre o desenvolvimento e micorrização do trigo. Verificou-se o efeito do pousio, do cultivo da soja e dos adubos verdes Crotalaria paulina, Crotalaria juncea e mucuna-preta (Stizolobium aterrimum), e da dosagem de calcário 0, 2 e 4 t/ha sobre os seguintes fatores: massa das raízes e da parte aérea e produtividade de grãos de trigo; teores de fósforo no solo e na folha-bandeira; percentagem de colonização e número de esporos de fungos micorrízicos no solo. A percentagem do sistema radicular do trigo, colonizado por fungos micorrízicos arbusculares aos 21 dias da emergência, e a massa de matéria seca da parte aérea e de grãos foram maiores nos tratamentos com aplicação de calcário e nos cultivados com C. paulina. A colonização do sistema radicular por fungos micorrízicos arbusculares influenciou positivamente o desenvolvimento da parte aérea e a produção de grãos do trigo. O teor de fósforo no solo e a micorrização não correlacionaram com o estado nutricional da planta em relação ao fósforo.

Variáveis microbiológicas e produtividade do feijoeiro sob diferentes manejos do solo e calagem

O objetivo deste trabalho foi quantificar variáveis microbiológicas e produtividade do feijoeiro em razão do manejo do solo e da calagem. Parte de uma área cultivada há 20 anos em plantio direto (PD) foi submetida ao cultivo mínimo (CM), com escarificação a 0,25 m de profundidade, para incorporação do calcário. Os tratamentos consistiram de manejo do solo (PD e CM) e 0 e 2 t ha-1 de calcário dolomítico aplicadas na superfície, com quatro repetições. Os maiores valores de C da biomassa microbiana foram verificados no CM e os de C de CO2 liberado no PD sem calagem. A menor colonização micorrízica e a maior esporulação foram observadas no CM sem calagem. Não foram detectadas diferenças entre os tratamentos em relação à produção de matéria seca, enquanto na produtividade de grãos, o maior valor foi verificado no CM com calagem. É possível evitar a interrupção do PD com aplicação de calcário na superfície, visto que a incorporação do material de cobertura e a calagem pouco alteraram a estabilidade do sistema, conforme comprovado pelos valores estatísticos semelhantes de C do CO2 liberado e pelas pequenas diferenças observadas nas demais variáveis entre manejos.

Crescimento e micorrização de genótipos de milho em casa de vegetação

O trabalho foi desenvolvido em casa de vegetação com o objetivo de comparar o crescimento e a micorrização por fungos micorrízicos arbusculares (FMA) em nove genótipos de milho, além de verificar o potencial de inóculo de FMA do solo. Coletado de uma área de cerrado sensu stricto ocupada por pastagem degradada, o solo foi adubado, misturado com areia de rio, fumigado e colocado em sacos plásticos (3 kg). Foram semeadas cinco sementes de cada genótipo de milho em 20 sacos, mas apenas 10 receberam cerca de 300 esporos de FMA, coletados do solo de pastagem. Cada saco constituiu-se em uma repetição, com apenas uma planta. As avaliações de altura e diâmetro do caule foram realizadas aos 15, 30, 45 e 60 dias após a emergência, além de massa seca do sistema radicular (MSR) e parte aérea (MSPA), colonização micorrízica (COL) e dependência micorrízica (DM). Concomitantemente, um segundo experimento foi realizado para avaliar o potencial de inóculo de FMA do solo de pastagem, o qual passou por uma diluição seriada de 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20% e 10%, incluindo apenas o solo não esterilizado (100%) e somente solo esterilizado (0%), em sacos plásticos, semeado o híbrido Tractor. Após 60 dias, as raízes foram colhidas para quantificar a colonização micorrízica. A inoculação de FMA acarretou incrementos na produção de matéria seca de forma diferenciada entre genótipos; com Condá, F0, D1 e F8 exibindo os maiores valores de MSPA, enquanto Tractor e D7 os menores valores de MSR. Os genótipos não responsivos ou pouco responsivos quanto à dependência micorrízica tiveram comportamento diferente quanto à COL, com Condá, Sol da Manhã, F0 e D1 proporcionando média de 60%. Verificou-se que a área de pastagem, mesmo degradada, propiciou alto potencial de inóculo, revelado pela alta porcentagem de colonização das raízes por FMA.

Restos vegetais e adubação nitrogenada na micorrização e produtividade do arroz de terras altas em sistema plantio direto

The objective of this research was to verify the influence of plant residues and the nitrogen fertilization in covering on the mycorrhization (colonization and number of spores of the arbuscular mycorrhizal fungi), and grain yield of upland rice grown under a no tillage system. The experiment was conducted at the Experimental Farm Station of Unesp/Ilha Solteira Campus, at Selviria (Mato Grosso do Sul State). In the main plots, the leguminous were tested: sun hemp (Crotalaria juncea L.), pigeon pea (Cajanus cajan L.) and velvet bean (Stizolobium aterrimum Piper & Tracy) and the grass: corn (Zea mays L.), millet (Peenisetum americamum L.) and grain sorghum (Sorghum bicolor L.), plus no planted area during the winter, as plant cover. In the subplots, after the rice sowing, the nitrogen fertilization in covering (zero and 75 kg ha(-1) of N at the urea form) was used. The rice grain yield was influenced by the plant residues, but not for the N doses or the interaction. The sorghum grain showed negative influence on the rice productivity. The nitrogen fertilization influenced the number of spores, but not the mycorrhizal colonization or the grain yield, at the time of the crop. Correlation between the studied variable was riot found.

Alterações microbiológicas, de fertilidade e de produtividade do arroz de terras altas em diferentes manejos de solo e água

In Brazil, the upland rice Culture system is predominant, but its water supply depends of precipitation and its distribution. Sol-lie practices or disturbances on soil conditions may cause alterations that call be detected by microorganisms, which are quite sensitive. This experiment was developed to study microbiological alterations (microbial biomass carbon (MBC), released CO2 (C-CO2), metabolic quotient (qCO(2)) and mycorrhization), as well as alterations in soil fertility and productivity of upland rice, cultivated under different soil and water managements. Cultivar BRS Talento was used in the experiment. The experimental design was a completely randomized block design, with four replications, using three soil managements: no-tillage (NT), heavy disk + leveling disk harrowing (HL), and chisel plowing + leveling disk harrowing (CL), plus three water managements: no irrigation (WD0); water depth 1 (WD1), with irrigation at the reproductive and maturation periods; and water depth 2 (WD2), with irrigation throughout the rice cycle. Autochthones arbuscular mycorrhizal fungi proved to be sensitive to soil and water management. The NT presented the highest values for MO, Ca, SB and V% and the lowest for H+A1. This management, together with irrigation at the reproductive and maturation periods of BRS Talento cultivar, promoted goods results for crop yield and microbiology characteristics.

Efeitos alelopáticos de extratos vegetais na germinação, colonização micorrízica e crescimento inicial de milho, soja e feijão

Restos vegetais e liteira podem interferir no desenvolvimento de plantas. Este trabalho objetivou avaliar os efeitos alelopáticos de extratos aquosos de Pinus sp., milheto (Pennisetum americanum (L.) Leeke) e mucuna (Stizolobium aterrimum Piper & Tracy) sobre a germinação, colonização micorrízica e crescimento inicial de milho (Zea mays L.), soja (Glycine max L.) e feijão (Phaseolus vulgaris L.). Os extratos foram elaborados utilizando folhas trituradas. O experimento in vitro empregou papel Germitest umedecido com extratos ou água destilada por sete dias. O experimento em casa de vegetação teve esquema fatorial 3 x 3 x 4, com quatro repetições: três espécies vegetais (soja, milho e feijão), três extratos aquosos (Pinus, milheto e mucuna) e quatro doses de extrato (0,0; 0,5; 1,0; e 2,0 kg L-1). O substrato foi Latossolo Vermelho coletado no município de Selvíria-MS, no bioma Cerrado. Após a semeadura, os vasos receberam, a cada cinco dias, por 45 dias, 50 mL dos extratos. Para a soja, extratos de mucuna e milheto diminuíram o comprimento do hipocótilo e da radícula e os de Pinus aumentaram esses comprimentos. em feijão, o extrato de Pinus diminuiu o comprimento do hipocótilo e da radícula, mas os extratos de mucuna e milheto aumentaram-no. O extrato do milheto reduziu a percentagem e a velocidade de germinação em feijão. Todos os extratos reduziram a colonização micorrízica e o número de esporos de fungos micorrízicos arbusculares em soja, milho e feijão.

Nodulação e micorrização em Anadenanthera peregrina var. falcata em solo de cerrado autoclavado e não autoclavado

Anadenanthera peregrina var. falcata (angico-do-cerrado), uma leguminosa arbórea, forma associações simbióticas com bactérias fixadoras de nitrogênio (rizóbios) e com fungos micorrízicos arbusculares. Com o objetivo de avaliar a eficiência da inoculação de fungos micorrízicos e rizóbios no crescimento inicial de plantas de angico-do-cerrado, crescidas em solo autoclavado e em solo não autoclavado com e sem inoculação, foi desenvolvido um experimento em casa de vegetação, utilizando raízes micorrizadas de milho e uma mistura de isolados de rizóbios como inoculantes. O crescimento das plantas foi influenciado positivamente pela concomitante inoculação do fungo micorrízico e do rizóbio, tendo as plantas desse tratamento apresentado biomassa cerca de 60 % maior do que o controle no décimo mês. A inoculação de apenas um dos microssimbiontes, entretanto, não provocou diferença na produção de biomassa das plantas. A percentagem de colonização micorrízica foi significativamente mais alta e o número de nódulos maior nas raízes das plantas crescidas no solo não autoclavado, ocasionados pela população de fungos e rizóbios nativos. Nesse tratamento, houve pequeno acúmulo de matéria no xilopódio, provavelmente em virtude do dreno fotossintético por parte dos microssimbiontes, e a concentração de P na parte aérea e xilopódio dessas plantas foi cerca de 1,2 e 8 vezes maior, respectivamente, por causa da colonização micorrízica.

Características biológicas do solo indicadoras de qualidade após dois anos de aplicação de biossólido industrial e cultivo de milho

A utilização agrícola de biossólidos tem sido muito incentivada, mas, como esses resíduos apresentam composição química variada, o valor agronômico e os efeitos sobre características indicadoras de qualidade do solo precisam ser avaliados caso a caso, a fim de estabelecer normas de segurança para uso desses materiais. Neste trabalho foram avaliadas características biológicas, após a aplicação, por dois anos consecutivos, de doses crescentes (0, 6, 12, 18 e 24 t ha-1 base seca) de um biossólido gerado por uma indústria de fibras e resinas PET e da adubação mineral completa no cultivo de milho, em um Cambissolo distrófico, comparados aos de uma área adjacente, sob Brachiaria sp. e sem cultivo nos últimos 10 anos, usada como referência. Os valores de C e N da biomassa microbiana, a respiração basal e as atividades das enzimas urease e beta-glicosidase e da hidrólise do diacetato de fluoresceína (FDA) aumentaram, enquanto a atividade da fosfatase ácida diminuiu com a elevação das doses de biossólido, porém estas não tiveram efeito sobre o quociente metabólico (qCO2). A diminuição da atividade da fosfatase se deveu ao aumento da disponibilidade de P no solo, não caracterizando efeito adverso da aplicação do biossólido. Com aplicação de 12 t ha-1 de biossólido (recomendação agronômica), a respiração e a hidrólise da FDA foram maiores e a atividade da fosfatase foi menor que a obtida no solo com adubação mineral, mas as demais características avaliadas não diferiram entre estes tratamentos. A colonização micorrízica de Brachiaria sp. não diferiu entre plantas de crescimento espontâneo nas parcelas anteriormente cultivadas com milho e aquelas da área adjacente. Apesar do menor número de esporos, verificou-se enriquecimento de espécies de fungos micorrízicos arbusculares (FMAs) nas parcelas cultivadas. O carbono orgânico (Corg) e a biomassa microbiana apresentaram alta correlação com os demais parâmetros avaliados, indicando que as alterações na quantidade e qualidade da matéria orgânica, promovidas pela aplicação do biossólido, refletiram na dinâmica da microbiota e influenciaram positivamente os parâmetros biológicos de qualidade do solo.