Arbuscular mycorrhizal fungal communities and soil aggregation as affected by cultivation of various crops during the sugarcane fallow period

Management systems involving crop rotation, ground cover species and reduced soil tillage can improve the soil physical and biological properties and reduce degradation. The primary purpose of this study was to assess the effect of various crops grown during the sugarcane fallow period on the production of glomalin and arbuscular mycorrhizal fungi in two Latosols, as well as their influence on soil aggregation. The experiment was conducted on an eutroferric Red Latosol with high-clay texture (680 g clay kg-1) and an acric Red Latosol with clayey texture (440 g kg-1 clay) in Jaboticabal (São Paulo State, Brazil). A randomized block design involving five blocks and four crops [soybean (S), soybean/fallow/soybean (SFS), soybean/millet/soybean (SMS) and soybean/sunn hemp/soybean (SHS)] was used to this end. Soil samples for analysis were collected in June 2011. No significant differences in total glomalin production were detected between the soils after the different crops. However, total external mycelium length was greater in the soils under SMS and SHS. Also, there were differences in easily extractable glomalin, total glomalin and aggregate stability, which were all greater in the eutroferric Red Latosol than in the acric Red Latosol. None of the cover crops planted in the fallow period of sugarcane improved aggregate stability in either Latosol.

Narrow Fungal Mycorrhizal Diversity in a Population of the Orchid Coppensia doniana

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Are ectomycorrhizal fungi alleviating or aggravating nitrogen limitation of tree growth in boreal forests?

•Symbioses between plant roots and mycorrhizal fungi are thought to enhance plant uptake of nutrients through a favourable exchange for photosynthates. Ectomycorrhizal fungi are considered to play this vital role for trees in nitrogen (N)-limited boreal forests. •We followed symbiotic carbon (C)–N exchange in a large-scale boreal pine forest experiment by tracing 13CO2 absorbed through tree photosynthesis and 15N injected into a soil layer in which ectomycorrhizal fungi dominate the microbial community. •We detected little 15N in tree canopies, but high levels in soil microbes and in mycorrhizal root tips, illustrating effective soil N immobilization, especially in late summer, when tree belowground C allocation was high. Additions of N fertilizer to the soil before labelling shifted the incorporation of 15N from soil microbes and root tips to tree foliage. •These results were tested in a model for C–N exchange between trees and mycorrhizal fungi, suggesting that ectomycorrhizal fungi transfer small fractions of absorbed N to trees under N-limited conditions, but larger fractions if more N is available. We suggest that greater allocation of C from trees to ectomycorrhizal fungi increases N retention in soil mycelium, driving boreal forests towards more severe N limitation at low N supply.

Phosphorus and Nitrogen Regulate Arbuscular Mycorrhizal Symbiosis in Petunia hybrida

Phosphorus and nitrogen are essential nutrient elements that are needed by plants in large amounts. The arbuscular mycorrhizal symbiosis between plants and soil fungi improves phosphorus and nitrogen acquisition under limiting conditions. On the other hand, these nutrients influence root colonization by mycorrhizal fungi and symbiotic functioning. This represents a feedback mechanism that allows plants to control the fungal symbiont depending on nutrient requirements and supply. Elevated phosphorus supply has previously been shown to exert strong inhibition of arbuscular mycorrhizal development. Here, we address to what extent inhibition by phosphorus is influenced by other nutritional pathways in the interaction between Petunia hybrida and R. irregularis. We show that phosphorus and nitrogen are the major nutritional determinants of the interaction. Interestingly, the symbiosis-promoting effect of nitrogen starvation dominantly overruled the suppressive effect of high phosphorus nutrition onto arbuscular mycorrhiza, suggesting that plants promote the symbiosis as long as they are limited by one of the two major nutrients. Our results also show that in a given pair of symbiotic partners (Petunia hybrida and R. irregularis), the entire range from mutually symbiotic to parasitic can be observed depending on the nutritional conditions. Taken together, these results reveal complex nutritional feedback mechanisms in the control of root colonization by arbuscular mycorrhizal fungi.

Mycorrhizal preferences and fine spatial structure of the epiphytic orchid Epidendrum rhopalostele

• Premise of the study: The presence of compatible fungi is necessary for epiphytic orchid recruitment. Thus, identifying associated mycorrhizal fungi at the population level is essential for orchid conservation. Recruitment patterns may also be conditioned by factors such as seed dispersal range and specific environmental characteristics. • Methods: In a forest plot, all trees with a diameter at breast height >1 cm and all individuals of the epiphytic orchid Epidendrum rhopalostele were identified and mapped. Additionally, one flowering individual of E. rhopalostele per each host tree was randomly selected for root sampling and DNA extraction. • Key results: A total of 239 E. rhopalostele individuals were located in 25 of the 714 potential host trees. Light microscopy of sampled roots showed mycorrhizal fungi in 22 of the 25 sampled orchids. Phylogenetic analysis of ITS1-5.8S-ITS2 sequences yielded two Tulasnella clades. In four cases, plants were found to be associated with both clades. The difference between univariate and bivariate K functions was consistent with the random labeling null model at all spatial scales, indicating that trees hosting clades A and B of Tulasnella are not spatially segregated. The analysis of the inhomogenous K function showed that host trees are not clustered, suggesting no limitations to population-scale dispersal. χ2 analysis of contingency tables showed that E. rhopalostele is more frequent on dead trees than expected. • Conclusions: Epidendrum rhopalostele establishes mycorrhizal associations with at least two different Tulasnella species. The analysis of the distribution patterns of this orchid suggests a microsite preference for dead trees and no seed dispersal limitation.

Intracellular pH in Arbuscular Mycorrhizal Fungi1 : A Symbiotic Physiological Marker

A method was developed to perform real-time analysis of cytosolic pH of arbuscular mycorrhizal fungi in culture using dye and ratiometric measurements (490/450 nm excitations). The study was mainly performed using photometric analysis, although some data were confirmed using image analysis. The use of nigericin allowed an in vivo calibration. Experimental parameters such as loading time and concentration of the dye were determined so that pH measurements could be made for a steady-state period on viable cells. A characteristic pH profile was observed along hyphae. For Gigaspora margarita, the pH of the tip (0–2 μm) was typically 6.7, increased sharply to 7.0 behind this region (9.5 μm), and decreased over the next 250 μm to a constant value of 6.6. A similar pattern was obtained for Glomus intraradices. The pH profile of G. margarita germ tubes was higher when cultured in the presence of carrot (Daucus carota) hairy roots (nonmycorrhizal). Similarly, extraradical hyphae of G. intraradices had a higher apical pH than the germ tubes. The use of a paper layer to prevent the mycorrhizal roots from being in direct contact with the medium selected hyphae with an even higher cytosolic pH. Results suggest that this method could be useful as a bioassay for studying signal perception and/or H+ cotransport of nutrients by arbuscular mycorrhizal hyphae.

Growth responses of sugarcane to mycorrhizal spore density and phosphorus rate

Arbuscular mycorrhizal (AM) fungi, commonly found in long-term cane-growing fields in northern Queensland, are linked with both negative and positive growth responses by sugarcane ( Saccharum spp.), depending on P supply. A glasshouse trial was established to examine whether AM density might also have an important influence on these growth responses. Mycorrhizal spores ( Glomus clarum), isolated from a long-term cane block in northern Queensland, were introduced into a pasteurised low-P cane soil at 5 densities ( 0, 0.06, 0.25, 1, 4 spores/g soil) and with 4 P treatments ( 0, 8.2, 25, and 47 mg/kg). At 83 days after planting, sugarcane tops responded positively to P fertilizer, although responses attributable to spore density were rarely observed. In one case, addition of 4 spores/g led to a 53% yield response over those without AM at 8 mg P/kg, or a relative benefit of 17 mg P/kg. Root colonisation was reduced for plants with nil or 74 mg P/kg. For those without AM, P concentration in the topmost visible dewlap ( TVD) leaf increased significantly with fertiliser P (0.07 v. 0.15%). However, P concentration increased further with the presence of AM spores. Irrespective of AM, the critical P concentration in the TVD leaf was 0.18%. This study confirms earlier reports that sugarcane is poorly responsive to AM. Spore density, up to 4 spores/g soil, appears unable to influence this responsiveness, either positively or negatively. Attempts to gain P benefits by increasing AM density through rotation seem unlikely to lead to yield increases by sugarcane. Conversely, sugarcane grown in fields with high spore densities and high plant-available P, such as long-termcane-growing soils, is unlikely to suffer a yield reduction from mycorrhizal fungi.

La face cachée de la dune : communautés fongiques du sol: dynamique, succession et interactions avec la végétation d’un écosystème dunaire côtier aux Îles de la Madeleine, Qc

Les écosystèmes dunaires remplissent plusieurs fonctions écologiques essentielles comme celle de protéger le littoral grâce à leur capacité d’amortissement face aux vents et vagues des tempêtes. Les dunes jouent aussi un rôle dans la filtration de l’eau, la recharge de la nappe phréatique, le maintien de la biodiversité, en plus de présenter un attrait culturel, récréatif et touristique. Les milieux dunaires sont très dynamiques et incluent plusieurs stades de succession végétale, passant de la plage de sable nu à la dune bordière stabilisée par l’ammophile à ligule courte, laquelle permet aussi l’établissement d’autres herbacées, d’arbustes et, éventuellement, d’arbres. Or, la survie de ces végétaux est intimement liée aux microorganismes du sol. Les champignons du sol interagissent intimement avec les racines des plantes, modifient la structure des sols, et contribuent à la décomposition de la matière organique et à la disponibilité des nutriments. Ils sont donc des acteurs clés de l’écologie des sols et contribuent à la stabilisation des dunes. Malgré cela, la diversité et la structure des communautés fongiques, ainsi que les mécanismes influençant leur dynamique écologique, demeurent relativement méconnus. Le travail présenté dans cette thèse explore la diversité des communautés fongiques à travers le gradient de succession et de conditions édaphiques d’un écosystème dunaire côtier afin d’améliorer la compréhension de la dynamique des sols en milieux dunaires. Une vaste collecte de données sur le terrain a été réalisée sur une plaine de dunes reliques se trouvant aux Îles de la Madeleine, Qc. J’ai échantillonné plus de 80 sites répartis sur l’ensemble de ce système dunaire et caractérisé les champignons du sol grâce au séquençage à haut débit. Dans un premier temps, j’ai dressé un portait d’ensemble des communautés fongiques du sol à travers les différentes zones des dunes. En plus d’une description taxonomique, les modes de vie fongiques ont été prédits afin de mieux comprendre comment les variations au niveau des communautés de champignons du sol peuvent se traduire en changements fonctionnels. J’ai observé un niveau de diversité fongique élevé (plus de 3400 unités taxonomiques opérationnelles au total) et des communautés taxonomiquement et fonctionnellement distinctes à travers un gradient de succession et de conditions édaphiques. Ces résultats ont aussi indiqué que toutes les zones des dunes, incluant la zone pionière, supportent des communautés fongiques diversifiées. Ensuite, le lien entre les communautés végétales et fongiques a été étudié à travers l’ensemble de la séquence dunaire. Ces résultats ont montré une augmentation claire de la richesse spécifique végétale, ainsi qu’une augmentation de la diversité des stratégies d’acquisition de nutriments (traits souterrains lié à la nutrition des plantes, soit mycorhizien à arbuscule, ectomycorhizien, mycorhizien éricoide, fixateur d’azote ou non spécialisé). J’ai aussi pu établir une forte corrélation entre les champignons du sol et la végétation, qui semblent tous deux réagir de façon similaire aux conditions physicochimiques du sol. Le pH du sol influençait fortement les communautés végétales et fongiques. Le lien observé entre les communautés végétales et fongiques met l’emphase sur l’importance des interactions biotiques positives au fil de la succession dans les environnements pauvres en nutriments. Finalement, j’ai comparé les communautés de champignons ectomycorhiziens associées aux principales espèces arborescentes dans les forêts dunaires. J’ai observé une richesse importante, avec un total de 200 unités taxonomiques opérationnelles ectomycorhiziennes, appartenant principalement aux Agaricomycètes. Une analyse de réseaux n’a pas permis de détecter de modules (c'est-à-dire des sous-groupes d’espèces en interaction), ce qui indique un faible niveau de spécificité des associations ectomycorhiziennes. De plus, je n’ai pas observé de différences en termes de richesse ou de structure des communautés entre les quatre espèces hôtes. En conclusion, j’ai pu observer à travers la succession dunaire des communautés diversifiées et des structures distinctes selon la zone de la dune, tant chez les champignons que chez les plantes. La succession semble toutefois moins marquée au niveau des communautés fongiques, par rapport aux patrons observés chez les plantes. Ces résultats ont alimenté une réflexion sur le potentiel et les perspectives, mais aussi sur les limitations des approches reposant sur le séquençage à haut-débit en écologie microbienne.

La face cachée de la dune : communautés fongiques du sol: dynamique, succession et interactions avec la végétation d’un écosystème dunaire côtier aux Îles de la Madeleine, Qc

Les écosystèmes dunaires remplissent plusieurs fonctions écologiques essentielles comme celle de protéger le littoral grâce à leur capacité d’amortissement face aux vents et vagues des tempêtes. Les dunes jouent aussi un rôle dans la filtration de l’eau, la recharge de la nappe phréatique, le maintien de la biodiversité, en plus de présenter un attrait culturel, récréatif et touristique. Les milieux dunaires sont très dynamiques et incluent plusieurs stades de succession végétale, passant de la plage de sable nu à la dune bordière stabilisée par l’ammophile à ligule courte, laquelle permet aussi l’établissement d’autres herbacées, d’arbustes et, éventuellement, d’arbres. Or, la survie de ces végétaux est intimement liée aux microorganismes du sol. Les champignons du sol interagissent intimement avec les racines des plantes, modifient la structure des sols, et contribuent à la décomposition de la matière organique et à la disponibilité des nutriments. Ils sont donc des acteurs clés de l’écologie des sols et contribuent à la stabilisation des dunes. Malgré cela, la diversité et la structure des communautés fongiques, ainsi que les mécanismes influençant leur dynamique écologique, demeurent relativement méconnus. Le travail présenté dans cette thèse explore la diversité des communautés fongiques à travers le gradient de succession et de conditions édaphiques d’un écosystème dunaire côtier afin d’améliorer la compréhension de la dynamique des sols en milieux dunaires. Une vaste collecte de données sur le terrain a été réalisée sur une plaine de dunes reliques se trouvant aux Îles de la Madeleine, Qc. J’ai échantillonné plus de 80 sites répartis sur l’ensemble de ce système dunaire et caractérisé les champignons du sol grâce au séquençage à haut débit. Dans un premier temps, j’ai dressé un portait d’ensemble des communautés fongiques du sol à travers les différentes zones des dunes. En plus d’une description taxonomique, les modes de vie fongiques ont été prédits afin de mieux comprendre comment les variations au niveau des communautés de champignons du sol peuvent se traduire en changements fonctionnels. J’ai observé un niveau de diversité fongique élevé (plus de 3400 unités taxonomiques opérationnelles au total) et des communautés taxonomiquement et fonctionnellement distinctes à travers un gradient de succession et de conditions édaphiques. Ces résultats ont aussi indiqué que toutes les zones des dunes, incluant la zone pionière, supportent des communautés fongiques diversifiées. Ensuite, le lien entre les communautés végétales et fongiques a été étudié à travers l’ensemble de la séquence dunaire. Ces résultats ont montré une augmentation claire de la richesse spécifique végétale, ainsi qu’une augmentation de la diversité des stratégies d’acquisition de nutriments (traits souterrains lié à la nutrition des plantes, soit mycorhizien à arbuscule, ectomycorhizien, mycorhizien éricoide, fixateur d’azote ou non spécialisé). J’ai aussi pu établir une forte corrélation entre les champignons du sol et la végétation, qui semblent tous deux réagir de façon similaire aux conditions physicochimiques du sol. Le pH du sol influençait fortement les communautés végétales et fongiques. Le lien observé entre les communautés végétales et fongiques met l’emphase sur l’importance des interactions biotiques positives au fil de la succession dans les environnements pauvres en nutriments. Finalement, j’ai comparé les communautés de champignons ectomycorhiziens associées aux principales espèces arborescentes dans les forêts dunaires. J’ai observé une richesse importante, avec un total de 200 unités taxonomiques opérationnelles ectomycorhiziennes, appartenant principalement aux Agaricomycètes. Une analyse de réseaux n’a pas permis de détecter de modules (c'est-à-dire des sous-groupes d’espèces en interaction), ce qui indique un faible niveau de spécificité des associations ectomycorhiziennes. De plus, je n’ai pas observé de différences en termes de richesse ou de structure des communautés entre les quatre espèces hôtes. En conclusion, j’ai pu observer à travers la succession dunaire des communautés diversifiées et des structures distinctes selon la zone de la dune, tant chez les champignons que chez les plantes. La succession semble toutefois moins marquée au niveau des communautés fongiques, par rapport aux patrons observés chez les plantes. Ces résultats ont alimenté une réflexion sur le potentiel et les perspectives, mais aussi sur les limitations des approches reposant sur le séquençage à haut-débit en écologie microbienne.

Buckwheat as a Cover Crop in Florida: Mycorrhizal Status, Soil Analysis, and Economic Assessment

This thesis analyses buckwheat as a cover crop in Florida. The study was designed to demonstrate: soil enrichment with nutrients, mycorrhizal arbuscular fungi interactions, growth in different soil types, temperature limitations in Florida, and economic benefits for farmers. Buckwheat was planted at the FIU organic garden (Miami, FL) in early November and harvested in middle December. After incorporation of buckwheat residues, soil analyses indicated the ability of buckwheat to enrich soil with major nutrients, in particular, phosphorus. Symbiosis with arbuscular mycorrhizal fungi increased inorganic phosphorus uptake and plant growth. Regression analysis on aboveground buckwheat biomass weight and soil characteristics showed that high soil pH was the major limiting factor that affected buckwheat growth. Spatial analysis illustrated that buckwheat could be planted in South Florida throughout the year but might not be planted in North and Central Florida in winter. An economic assessment proved buckwheat to be a profitable cover crop.

Consistent responses of soil microbial communities to elevated nutrient inputs in grasslands across the globe

Soil microorganisms are critical to ecosystem functioning and the maintenance of soil fertility. However, despite global increases in the inputs of nitrogen (N) and phosphorus (P) to ecosystems due to human activities, we lack a predictive understanding of how microbial communities respond to elevated nutrient inputs across environmental gradients. Here we used high-throughput sequencing of marker genes to elucidate the responses of soil fungal, archaeal, and bacterial communities using an N and P addition experiment replicated at 25 globally distributed grassland sites. We also sequenced metagenomes from a subset of the sites to determine how the functional attributes of bacterial communities change in response to elevated nutrients. Despite strong compositional differences across sites, microbial communities shifted in a consistent manner with N or P additions, and the magnitude of these shifts was related to the magnitude of plant community responses to nutrient inputs. Mycorrhizal fungi and methanogenic archaea decreased in relative abundance with nutrient additions, as did the relative abundances of oligotrophic bacterial taxa. The metagenomic data provided additional evidence for this shift in bacterial life history strategies because nutrient additions decreased the average genome sizes of the bacterial community members and elicited changes in the relative abundances of representative functional genes. Our results suggest that elevated N and P inputs lead to predictable shifts in the taxonomic and functional traits of soil microbial communities, including increases in the relative abundances of faster-growing, copiotrophic bacterial taxa, with these shifts likely to impact belowground ecosystems worldwide.

Cotton root systems and recovery of applied P and K fertilisers

With potential to accumulate substantial amounts of above-ground biomass, at maturity an irrigated cotton crop can have taken up more than 20 kg/ha phosphorus and often more than 200 kg/ha of potassium. Despite the size of plant accumulation of P and K, recovery of applied P and K fertilisers by the crop in our field experiment program has poor. Processing large amounts of mature cotton plant material to provide a representative sample for chemical analysis has not been without its challenges, but the questions regarding mechanism of where, how and when the plant is acquiring immobile nutrients remain. Dry matter measured early in the growing season (squaring, first white flower) have demonstrated a 50% increase in crop biomass to applied P (in particular), but it represents only 20% of the total P accumulation by the plant. By first open boll (and onwards), no response in dry matter or P concentration could be detected to P application. A glasshouse study indicated P recovery was greater (to FOB) where it was completely mixed through a profile as opposed to a banded application method suggesting cotton prefers a more diffuse distribution. The relative effects of root morphology, mycorrhizal fungi infection, seasonal growth patterns and how irrigation is applied are areas for future investigation on how, when and where cotton acquires immobile nutrients.

Hiekkatympösen (Hebeloma cylindrosporum) L-aminohappo-oksidaasi -geenin eristäminen

Pohjoisella havumetsävyöhykkeellä typpi on usein kasvien kasvua rajoittava tekijä. Metsämaan typpivarannot koostuvat pääasiassa orgaaniseen ainekseen sitoutuneista typpiyhdisteistä, erityisesti aminohapoista. Ektomykorritsasienet osallistuvat metsämaassa tapahtuvaan typenkiertoon hajottamalla orgaanisia typpiyhdisteitä ja kuljettamalla niitä kasvien käytettäväksi. Sienisolun sisällä tapahtuvasta aminohappojen mineralisaatiosta tiedetään toistaiseksi melko vähän. Aminohappo-oksidaasit katalysoivat aminohappojen mineralisaatiota. Eräissä ektomykorritsaa muodostavien kantasienten suvuissa on osoitettu L-aminohappo-oksidaaseja (LAO). Toistaiseksi LAO-geeniä ei tunneta kantasienistä. Työssä kuvattiin ensimmäistä kertaa LAO-geeni kantasienistä. Hiekkatympösen LAO1- geenin cDNA:n 5´ ja 3´ päiden emäsjärjestykset määritettiin RACE-PCR -menetelmällä, josta saatujen sekvenssien perusteella suunniteltiin alukkeet koko geenin cDNA:n ja genomisen DNA:n monistamiseksi. Genomisen DNA ja cDNA -sekvenssien perusteella määritettiin hiekkatympösen LAO1-geenin rakenne. Hiekkatympösen LAO1-geeni koostuu viidestä eksonista ja neljästä intronista. Hiekkatympösen LAO1-geenin yläpuoliselta alueelta löydettiin typpimetabolian säätelyyn osallistuvan proteiinin sitoutumiskohta. LAO1-geeniä edeltävä geenin osittainen genominen DNA-sekvenssi määritettiin. Kangaslohisienen genomissa LAO1-geeniä edeltävä geeni oli ennustettu pyruvaattidekarboksylaasiksi. Lisäksi työssä määritettiin hiekkatympösen toisen LAOhomologin cDNA:n osittainen emäsjärjestys. Työssä tunnistettiin myös toisen kantasienen, kangaslohisienen, LAO-geeni. LAO-geeniksi tunnistettu kangaslohisienen geenimalli oli aiemmin ennustettu NCBI:n tietokannassa toiminnaltaan tuntemattomaksi proteiiniksi. Proteiinien sukupuun perusteella hiekkatympösen ja kangaslohisienen LAO:n kantamuoto on kahdentunut. Työstä saatu tutkimustulos tuo täysin uutta tietoa molekyylibiologian tasolla ektomykorritsasienten aminohappojen katabolisista reaktioista. Aminohappojen mineralisaation seurauksen muodostuneet ammoniumionit saattavat olla merkittävä typen lähde myös maan muille mikrobeille ja kasveille. On mahdollista, että ektomykorritsasienten LAO-entsyymi on yksi merkittävä tekijä metsämaan typenkierrossa.

Influence of metalaxyl on Glomus fasciculatum associated with wheat (Triticum aestivum L)

Soil incorporation of metalaxyl [methyl N-(2-methoxyacetyl)-N-(2,6,xylyl)-DL-alaninate] significantly enhanced root colonization of the vesicular-arbuscular (VA) mycorrhizal fungi Glomus fasciculatum associated with wheat. The stimulatory response of VA mycorrhizal fungi to low concentration of metalaxyl resulted in increased plant biomass production, nutrient uptake and grain yield of wheat. However, higher concentrations of metalaxyl, particularly 2.5 ppm of metalaxyl affected the mycorrhizal infection and seed yield of wheat, Addition of urban compost to an extent ameliorated the toxic effect of fungicide on VA mycorrhizal colonization, plant growth and yield of wheat when compared to unamended soil.