Function of mycorrhiza in the competition for nitrogen in calcareous beech forests

Die Buche (Fagus sylvatica L.) ist sowohl in ökonomischer als auch in ökologischer Hinsicht in Mitteleuropa eine sehr wichtige Baumart. Häufig sind Buchenwälder auf Böden anzutreffen, auf denen Stickstoff das limitierende Nährelement ist. Auf solchen Böden konkurrieren deshalb Buchen, Ektomykorrhizapilze und Bodenbakterien um den verfügbaren Stickstoff. Der prognostizierte Klimawandel mit steigenden Temperaturen, Trockenperioden und Starkregenereignissen wird den Stickstoffkreislauf und die Konkurrenzverhältnisse beeinflussen, da sich zwei der wichtigsten Bodenparameter, Bodenfeuchte und Bodentemperatur, verändern werden. In diesen Parameter unterscheiden sich auch die beiden Versuchsflächen in Baden-Württemberg in der Nähe von Tuttlingen, die für die Versuche dieser Arbeit ausgewählt wurden. Die Flächen befinden sich gegenüberliegend in einem Tal und sind auf der einen Seite NO bez. NW exponiert und auf der anderen Seite SW exponiert. Der SW-Hang weist im Vergleich zu den nördlich exponierten Hängen eine erhöhte Bodentemperatur und eine verminderte Bodenfeuchte auf und kann damit als Modellstandort für das prognostizierte zukünftige Klima gelten. Wie die Buche mit den erwarteten klimatischen Änderungen umgehen wird, wird unter anderem auch von der Reaktion der Ektomykorrhizapilze abhängen. Diese spielen bei der Stickstoffaufnahme der Buchen eine entscheidende Rolle, da die Wurzelspitzen der Buche in natürlichen Ökosystemen praktisch vollständig mit Ektomykorrhizapilzen kolonisiert sind. Um die komplex zusammengesetzten Mykorrhizagesellschaften an Buchen charakterisieren und in Bezug auf ihre Funktion analysieren zu können, sind Informationen über die Morphologie und Anatomie der einzelnen Pilzarten notwendig. Selbst in Mitteleuropa fehlen aber für einen Großteil der Ektomykorrhizen exakte wissenschaftliche Beschreibungen. Daher wurde exemplarisch ein mykorrhizaler Morphotyp, der auf den Tuttlinger Versuchsflächen häufig vorkommt, morphologisch und anatomisch beschrieben und gezeichnet. Wegen seiner dicht mit langen Cystiden besetzten Manteloberfläche wird er dem „Short distance“-Explorationstyp zugeordnet. Besonders auffällig sind die drei bis sechsfachen Verzweigungspunkten der Cystiden, die charakteristisch verdickt sind und denen die Mykorrhiza ihren provisorischen Namen „Fagirhiza inflata“ verdankt. Die aufgrund der anatomischen Merkmale und der dextrinoiden Reaktion von Mantel und Cystiden mit Melzers Reagenz angenommene Zugehörigkeit zur Gattung Sebacina wurde durch die ITS-Sequenzierung bestätigt. Bisher war unklar, ob die Stickstoffversorgung von Buchen unter gegebenen Bedingungen von den Bodenmikroben, den Mykorrhizapilzen oder der Herkunft der Bäume abhängt. In einem Experiment sollte untersucht werden, ob und wie sich die unterschiedliche Artenzusammensetzung von Mykorrhizagesellschaften auf die Stickstoffakkumulation in den mykorrhizierten Wurzelspitzen und den Stickstofftransfer zu den Pflanzen auswirkt. Es wurden junge, genetisch ähnliche Buchen mit ihren assoziierten Mykorrhiza¬gesellschaften aus Tuttlingen von einem NO-Hang und einem SW-Hang in einen homogenen Boden transferiert und unter gleichen klimatischen Bedingungen mit 13C und 15N markiert. Die geringe mikrobielle Biomasse im Substrat führte dazu, dass die Konkurrenz um den Stickstoff mit Bakterien stark vermindert wurde. Die nicht mykorrhizierten Wurzelspitzen der NO- und SW-Buchen akkumulierten unter diesen Bedingungen das 15N gleich stark. Im Gegenteil dazu akkumulierten die mykorrhizierten Wurzelspitzen der NW-Buchen das 15N stark verzögert im Vergleich zu den mykorrhizierten Wurzelspitzen der SW-Buchen. Korrespondierend dazu dauerte bei den NO-Buchen der Transfer des 15N zu den Feinwurzeln und Blättern länger und erfolgte in niedrigeren Raten als bei den SW-Buchen. Daraus folgt, dass die Mykorrhizagesellschaften den N-Transport zur Pflanze kontrollierten. Außerdem zeigen diese Ergebnisse, dass die Mykorrhizapilze, die sich an trockene und warme Bedingungen angepasst haben, die Leistungsfähigkeit von den an moderate Bedingungen angepassten Mykorrhizapilzen in Bezug auf die Akkumulation von Stickstoff sogar übertreffen, wenn die umweltbedingten Einschränkungen wegfallen. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Zusammensetzung der Mykorrhizagesellschaften entscheidend für die Zukunftsfähigkeit der Buchenwälder ist. Um die Auswirkungen des prognostizierten Klimawandels (erhöhte Temperatur und niedrigere Bodenfeuchte) auf die Stickstoffversorgung von Buchen abschätzen zu können, wurde Buchennaturverjüngung mit umgebendem Boden (Mesokosmen) in Tuttlingen von dem NW-Hang auf den gegenüberliegenden SW-Hang ("Klimawandel" Behandlung) oder von dem NW auf den NW Hang (Kontrolle) transferiert. Die Buchen wurden für ein Jahr unter diesen Bedingungen kultiviert. In der nachfolgenden Vegetationsperiode wurde nach Injizieren von 15N markierten Stickstoffformen (Glutamin, Ammonium, Nitrat) in den Boden an mehreren Zeitpunkten geerntet. Anhand der 15N-Aufnahmeraten stellte sich Nitrat als die dominierende Stickstoffquelle für die Buchen heraus. Die klimatischen Bedingungen auf der SW-Seite führten zu einem Einbruch bei der Nitratbereitstellung durch die Bodenbakterien und damit zu Nitratmangel und nachfolgend zu einer Reduktion der Biomasse der Buchennaturverjüngung. In den mykorrhizierten Wurzelspitzen hingegen zeigte sich durchgängig, dass 15N aus Ammonium am stärksten akkumuliert wurde, gefolgt von Nitrat und Glutamin. In den meisten Fällen wurde auf der SW-Seite signifikant oder tendenziell weniger 15N akkumuliert als auf der NW-Seite. Intaktes Glutamin wurde weder in den mykorrhizierten Wurzelspitzen noch in den Buchen festgestellt, was auf eine sehr geringe Bedeutung von organischen Stickstoffformen für die Stickstoffversorgung der Buchen schließen lässt. Die Ergebnisse lassen befürchten, dass es in Zukunft große Probleme bei der Stickstoffversorgung der Buche geben wird. Vermutlich sind diese Restriktionen in der Stickstoffversorgung eine der Ursache für die prognostizierte erhebliche Reduktion der Kalkbuchenwälder bis zum Ende des 21. Jahrhunderts.Beech (Fagus sylvatica L.) is a very important tree species in Central Europe due to its economical value and ecological services. Beech forests are often growing on soils, where nitrogen is the growth limiting factor. Under these conditions beech trees, ectomycorrhizal fungi and soil bacteria are competing for the bioavailable nitrogen in the soil. The predicted climate change will influence the nitrogen cycle and competition for nitrogen, because the two main soil parameters, soil humidity and soil moisture, will change. These two parameters are different at the two experimental sites near Tuttlingen (SW Germany). The two sites are divided by a narrow valley and are on the one hand side NE or respectively NW exposed and on the other side SW exposed. Compared to the northern exposed slopes, the SW slope shows higher soil temperature and lower soil humidity. Therefore the SW-slope can be taken as a model site for future climate conditions. The reactions of beech forests to climate change are, among other factors, dependent on the reaction of ectomycorrhizal fungal to climate change. These fungi are very important for nitrogen nutrition of beech, because nearly all root tips are colonized by these fungi. For analyzing complex assembled mycorrhizal communities and characterizing their functions, information about morphology and anatomy of single species are necessary. But even in Central Europe scientific descriptions for most of the ectomycorrhizal fungi are lacking. Because of this lacking knowledge, a common mycorrhizal morphotype of the experimental sites in Tuttlingen was morphological and anatomical described and drawn. The new morphotyp is densely covered with cystidia and is therefore determined as a “Short distance”-Exploration type. Characteristic are the inflated three to six fold polytomies of the cystidia. They lead to the temporary name “Fagirhiza inflata”. Anatomical features and dextrinoide reaction with Melzer’s reagent suggested this fungus belonging to the order Sebacina, which was confirmed via ITS sequencing. Until now it was not clear, if nitrogen nutrition of beech trees is dependent on soil bacteria, mycorrhizal fungi or origin of the trees. In an experiment the influence of different mycorrhizal assemblages on nitrogen accumulation in root tips and subsequent transfer to plants was examined. Young, genetically similar beech trees including associated mycorrhizal assemblages from Tuttlingen NE and SW slope were transferred to a homogenous soil. The trees were cultivated under equal climate conditions and labeled with 13C and 15N before harvest. Because of very low microbial biomass in the soil, competitive strength of microbial biomass was strongly reduced. 15N accumulation in non mycorrhizal root tips from NE and SW beeches was similar under these conditions. In contrast to this result, mycorrhizal root tips of SW trees accumulated more 15N than mycorrhizal root tips from NE beech trees. Corresponding to this 15N transfer to fine roots and leaves was faster in SW trees compared to NE trees. This result shows that mycorrhizal fungi are controlling the N transfer to the plant. Furthermore these results show, that drought and warm conditions adapted mycorrhizal fungi are more efficient under mild conditions than the mycorrhizal fungi adapted to the mild conditions, if climatically constraints do not exist. These findings suggest that community structure of ectomycorrhizal fungi is crucial for sustainability of beech forests. To estimate impacts of the predicted climate change (higher temperature and lower soil moisture) on nitrogen nutrition of beech trees an experiment under field conditions was conducted. Beech soil systems (mesocosms) were transferred from a NW to a SW slope (climate change treatment) and from a NW to a NW slope (control). The beech trees were cultivated under site specific condition for one year. In the following vegetation period beech trees were harvested after injections with 15N labelled nitrogen forms (glutamine, ammonium and nitrate) at several time points. Climatic constraints lead to a strong reduction of soil bacteria which can provide nitrate. As a consequence beech trees showed a reduction in biomass because nitrate was the dominant nitrogen source for beech nutrition, indicated by highest 15N accumulation of all three nitrogen forms. In contrast to beech trees mycorrhizal root tips showed highest 15N accumulation derived from ammonium, followed by nitrate and glutamine. In most cases, accumulation in mycorrhizal root tips on the SW slope was significant or by trend lower than on the NW slope. Intact glutamine was found neither in mycorrhizal root tips nor in beech trees. This means organic nitrogen is not important for beech nutrition. In conclusion, these results show, that in future serious problems in nitrogen nutrition of beech trees can occur. A model, which predicts a strong reduction of beech forest in Central Europe at the end of the 21th century, takes into account the change of soil parameters shown by the experiments described here.2015-03-3