Die Verwendung von Phänomenologischen und trait basierten Ansätzen um die Funktion von wurzelbesiedelnden Pilzen zu verstehen

Table of Contents Foreword iii Acknowledgments iv List of Tables vi List of Figures vii Chapter One: Introduction 1 Chapter Two: Soil texture and root infecting ascomycete fungi interactively affect plant community structure 7 Chapter Three: Ecological understanding of root-infecting fungi using trait- based approaches 26 Chapter Four: Branching out: towards a trait-based understanding of fungal ecology 42 Chapter Five: Discussion 68 Summary 74 Zusammenfassung 76 Contribution to publications 79 Appendix 80The aim of the present thesis was to increase our understanding of the community assembly of Root Infecting Fungi (RIF) and its effect on plant community and ecosystem dynamics. It specifically targets non-mycorrhizal RIF belonging to the phyla Asco- and Basdiomycota, which represent the largest diversity of soil fungal interactans, but have received less attention compared to mycorrhizal associates. Two approaches were used in addressing this aim. First, a phenomenological approach was used by experimentally manipulating the presence of RIF and quantify its effect on plant community structure. This work was based on the isolation of RIF from a natural grassland in north eastern Germany which were further screened to determine the type of interaction. Three isolates related to Fusarium species (Ascomycota) were selected to conduct a greenhouse microcosm experiment (Chapter 2). This experiment had the objective to test whether plant species, which co-occur in the same natural grassland where the fungi were isolated, respond in species specific manner to each fungal isolate and whether the fungi alter the plant response to changes in soil abiotic characteristics. To achieve this objective, the identity of the fungal isolate together with soil texture were manipulated in a fully factorial fashion in experimental plant community microcosms. It was observed that each plant species responded differently to infection, resulting in distinct patterns of plant community structure depending on the fungus present. Each fungus provided benefits to some host species while negatively affecting others. The host responses to infection were strongly dependent on soil texture: positive responses conferred to a host at one texture level were absent in the other level. Further, host responses to the higher fungal diversity treatment (mixture inoculation of 3 fungi) were also dependent on soil texture. Based on this results, it can be concluded that non-mycorrhizal RIF can exert significant effects on plant community structure as well as greatly modify the way soil abiotic factors shape plant community dynamics. Second a trait-based approach was developed to understand the mechanisms behind community assembly process and ecosystem functioning. It is proposed that a shift to a multidimensional trait-based approach to disentangle the saprotrophic-symbiotic continuum will provide a better framework to understand fungal evolutionary ecology (in contrast to current classification schemes). Trait information reflecting the separation of root infecting fungi from free living soil relatives will help to understand the evolutionary process of symbiosis, the role that species interactions play in maintaining their large diversity in soil and in planta, and their contributions at the ecosystem level. Methodological advances in several areas such as microscopy, plant immunology and metatranscriptomics represent emerging opportunities to gather trait data pertinent to this continuum. In chapter four, it is further stressed the necessity of fungal trait frameworks by arguing that the current underrepresentation of trait based studies in mycology is a missed opportunity. Selection and systematic collection of trait data throughout the fungal kingdom will reap major benefits in ecological and evolutionary understanding of fungi. To develop the argument, plant trait examples were used to show the power of trait-based approaches in understanding ecological phenomena such as identifying species allocation resources patterns, inferring community assembly and understanding diversity-ecosystem functioning relationships. To expand on this point, a case study is presented to showcase how fungal spore trait data can be used to infer life history trade-offs and to test the role of habitat filtering during fungal community assembly. Second, ecologically relevant traits in fungi are presented which could be used to answer such ecological phenomena and can be measured on a large proportion of the fungal kingdom. Third, major challenges and opportunities are identified for widespread, coordinated collection and sharing of fungal trait data. The proposed view has the potential to allow mycologists to contribute considerably more influential studies in the area of fungal ecology and evolution, as has been demonstrated by comparable earlier efforts by plant ecologists. This represent a change of paradigm, from community profiling efforts through massive sequencing tools, to a more mechanistic understanding of fungal ecology.Das Ziel dieser Arbeit war es, unser Verständnis zur Zusammensetzung von Lebensgemeinschaften wurzel-infizierender Pilze (RIF (root infecting fungi)) und deren Auswirkung auf Planzenlebensgemeinschaften und Ökosystemdynamiken zu verbessern. Im Speziellen geht es um die Untersuchung von „Nicht-Mykorrhiza“ Pilzen, welche zu den Phyla Asco- und Basidiomyceten gehören und den größten Anteil an bodenpilzlichen Interaktionspartnern stellen, obwohl sie weit weniger Aufmerksamkeit erhalten als Mykorrhizapilze. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden zwei Ansätze verwendet. Zuerst wurde ein phänomenologischer Ansatz angewandt, bei dem die Präsenz von RIF experimentell modifiziert und deren Effekt auf die Struktur der Pflanzenlebensgemeinschaft quantifiziert wurde. Dieses Experiment basierte auf RIF-Isolaten aus einem natürlichen Grasland in Nordost Deutschland, welche weiterführend untersucht wurden um den Interaktionstyp zu bestimmen. Drei Isolate (nahe verwandt mit der Gattung Fusarium (Ascomycota)) wurden ausgewählt um ein Mikrokosmos-Experiment im Gewächshaus durchzuführen (Kapitel 2). Das Ziel dieses Experimentes war es herauszufinden ob Pflanzenarten, welche im gleichen Grasland auftreten in welchem die Pilze isoliert wurden, in artspezifischer Weise auf die jeweiligen Pilzisolate reagieren und ob diese Pilze die Reaktionen der Pflanzen auf abiotische Bodenparameter verändern. Um das zu erreichen wurde die Identität der Pilzisolate zusammen mit der Bodentextur voll-faktoriell in experimentellen Pflanzenlebensgemeinschafts-Mikrokosmen manipuliert. Es wurde beobachtet, dass jede Pflanzenart unterschiedlich auf die Pilzinfektion reagierte, was abhängig vom zugegebenen Pilzisolat zu individuellen Mustern in der Struktur der Pflanzenlebensgemeinschaft führte. Jedes Pilzisolat beeinflusste gleichzeitig bestimmte Wirtspflanzen positiv und andere Arten negativ. Die Reaktion der Wirtspflanzen auf Pilzinfektionen war stark abhängig von der Bodentextur: Positive Effekte auf eine Wirtspflanze bei einer bestimmten Bodentextur waren nicht ersichtlich bei einem anderen Texturlevel. Die Reaktion der Wirtspflanzen auf die Behandlung mit höherer Pilzdiversitat (Inokulation von 3 Pilzisolaten) war ebenfalls abhängig von der Bodentextur. Basierend auf diesen Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass Nicht- Mykorrhiza RIF einen signifikanten Effekt auf die Pflanzenlebensgemeinschaft ausüben und gleichzeitig den Einfluss von abiotischen Faktoren auf die Dynamik der Lebensgemeinschaft beeinflussen. Der zweite Ansatz, basierend auf Eigenschaften („traits“), wurde entwickelt um die Mechanismen, welche hinter den Prozessen zur Zusammensetzung von Lebensgemeinschaften sowie Ökosystemfunktionen stehen, zu verstehen. Eine Verschiebung hin zu multidimensionalen auf Eigenschaften basierenden Ansätzen, welche das Kontinuum Saprotroph-Symbiotisch auflösen sollen, wurde im Gegensatz zu jetzigen Klassifikationssystemen als geeigneterer Rahmen für das Verständnis der evolutionären Ökologie von Pilzen vorgeschlagen. Kenntnisse über Eigenschaften, welche den Unterschied von wurzel-infizierenden Pilzen zu ihren im Boden lebenden Verwandten widerspiegeln, werden zum Verständnis des Evolutionsprozesses der Symbiose, der Rolle von interspezifischen Interaktionen bei der Erhaltung der großen Diversität im Boden und in planta und deren Mitwirken auf dem Ökosystemlevel beitragen. Methodologische Fortschritte auf unterschiedlichen Gebieten wie Mikroskopie, Pflanzenimmunologie und Metatranscriptomics stellen neue Möglichkeiten dar um Daten zu Eigenschaften passend zu diesem Kontinuum aufzunehmen. In Kapitel vier wird die Notwendigkeit des Einbeziehens von Pilzeigenschaften aufgezeigt, mit dem Argument dass die momentane Unterrepräsentation von Eigenschaften- basierenden Studien in der Mykologie eine verpasste Möglichkeit darstellt. Die Auswahl und systematische Aufnahme von Daten zu Eigenschaften quer durch das Reich der Pilze wird großen Nutzen für das ökologische und evolutive Verständnis von Pilzen bringen. Zur Untermauerung dieser Argumentation wurden Beispiele von Pflanzeneigenschaften herangezogen, welche die Stärke von Eigenschaften-basierenden Ansätzen für das Verständnis ökologischer Phänomene aufzeigen. Dies sind beispielsweise die Identifikation von Mustern artspezifischer Ressourcenallokation, Rückschlüsse auf die Zusammensetzung von Lebensgemeinschaften oder das Verständnis von Zusammenhängen zwischen Diversität und Ökosystemfunktionen. Um diesen Punkt weiter auszuführen wurde als erstes eine Fallstudie präsentiert, welche aufzeigt wie Daten zu Pilzsporen genutzt werden können um Rückschlüsse zu „trade-offs“ im Lebenszyklus zu ziehen und die Rolle des Habitatfilters während der Ausbildung von Lebensgemeinschaften zu testen. Zweitens wurden ökologisch relevante Eigenschaften in Pilzen präsentiert, welche an großen Teilen des Pilzreiches gemessen werden und zur Untersuchung solch ökologischer Phänomene genutzt werden könnten. Als drittes wurden die Hauptherausforderungen und –möglichkeiten für eine ausgedehnte und koordinierte Erfassung und Nutzung von Daten zu Pilzeigenschaften identifiziert. Die vorgeschlagene Sichtweise hat das Potential Mykologen zu befähigen, deutlich mehr einflussreiche Studien im Feld der Pilzökologie und –evolution beizutragen, so wie es durch frühere vergleichbare Bemühungen der Pflanzenökologen aufgezeigt wurde. Dies stellt einen Paradigmenwechsel dar von Bemühungen zur Darstellung der Lebensgemeinschaft über „massive sequencing“ Methoden hin zu einem stärker mechanistischen Verständnis von Pilzökologie