Im Projekt ECTOMYC werden Ökosystemfunktionen und Artenreichtum von Ektomykorrhizapilzen an den Wurzeln ihrer Wirtsbäume untersucht und die Reaktion dieser Pilzgesellschaften auf Waldbewirtschaftungsmaßnahmen charakterisiert. Unsere Ergebnisse zeigten, dass Boden pH, Bewirtschaftungsintensität, Baumart und Wurzelnährelementgehalt Triebkräfte für die taxonomische Zusammensetzung von Pilzgesellschaften sind. Mit Hilfe stabiler Isotope (15NO3-, 15NH4+) zeigten wir, dass verschiedene Ektomykorrhiza-Arten große Unterschiede im Hinblick auf ihre N-Anreicherung aufwiesen. Dies zeigt, dass erhebliche Art-spezifische Unterschiede in der Pilzgemeinschaft für die N-Akquise bestehen. Über den gesamten Gradienten der Waldplots in den Exploratorien wurde ein signifikanter Zusammenhang zwischen N und der Zusammensetzung der Pilzgesellschaften nachgewiesen. Obgleich 'traits' von Pilzen wichtig für Dynamik von Nährstoffkreisläufen in Ökosystemen sind, gibt es nur wenige Untersuchungen über die Substratpräferenzen von Pilzen in ihrer natürlichen Umgebung. Um diese Wissenslücken zu schließen, planen wir in der neuen Phase folgende Untersuchungen: i) Analyse der zeitlichen und räumlichen Variation der Zusammensetzung der Pilzgesellschaften an Wurzeln (Mkcorrhiza, Saprophyten, Pathogene) und ihrer potentiellen Triebkräfte (Landnutzung, Klima, Boden, Wurzelnährelemente) ii) Analyse von Substratpräferenzen von Pilzgesellschaften in Köderexperimenten iii) Etablierung kausaler Zusammenhänge zwischen forstlichen Eingriffen (Lückenhieb), Veränderungen der Wurzelphysiologie und der Funktion und Diversität von unterschiedlichen ökologischen Gruppen in Pilzgesellschaften Um diese Ziele zu erreichen, soll die Diversität der Pilzgesellschaften auf den 150 experimentellen Waldplots untersucht und die Ergebnisse genutzt werden, um die Zeit-räumliche Variation der Pilzgesellschaften von 2014-2020 zu erforschen. Des Weiteren werden wir Substratköder auslegen und die besiedelnden Pilzgemeinschaften untersuchen. Durch das neue Waldexperiment (Auflichtung) wird der Kohlenstofffluss in den Boden stark verändert. Wir wollen diese Situation nutzen, um den Einfluss auf die Wurzelphysiologie, die Wurzel-assoziierten Pilzgesellschaften und mögliche feedback Reaktionen auf die Baumernährung zu analysieren. Insgesamt werden die Ergebnisse zu einem besseren Verständnis von funktionalen Zusammenhängen von Artengemeinschaften in Ökosystemen beitragen.
In den Wäldern Mitteleuropas dominieren Fichte (Picea abies (L.) Karst.) und Buche (Fagus sylvatica L.). Aufgrund ihrer vorteilhaften Wirkungen und Leistungen werden diese Arten in Mischkulturen bevorzugt, allerdings ist das Verhalten solcher Mischungen bei Stress, unter anderem bedingt durch Klimaveränderungen, infrage gestellt. Anhand eines ökologischen Transektes von feuchten zu trockenen Standorten und eines Überdachungsexperimentes werden die Auswirkungen von Trockenheiten von 3 Teilprojekten untersucht: (A) Zuwachs auf Baum- und Bestandesebene, (B) artspezifische Reaktionsmuster unter inner- und zwischenartlichen Wuchsbedingungen bei trockenheitsbedingter Xylem-Dysfunktion und Kohlenstoffverarmung und (C) Wirkung von Ektomykorrhizen auf Wurzel- und Baumwachstum. Die entlang eines Niederschlagsgradienten erzielten Wechselwirkungen zwischen Fichte und Buche werden untermauert durch experimentelle Befunde und Modellszenarien mit ökophysiologischen Prozessmodellen. Am Projekt sind drei antragstellende Arbeitsgruppen beteiligt sowie zwei externe Arbeitsgruppen. Durch Zusammenführung von Expertise in der langfristigen Versuchsbeobachtung, einzigartiger Infrastruktur, die durch das Kranprojekt im Kranzberger Forst gegeben ist und innovative Modellierungsansätze entsteht ein Projekt mit großer Synergie, Innovation und Erfolgsaussicht.
Die Wurzeln der meisten Bäume der gemäßigten Zonen gehen eine Verbindung mit Ektomykorrhizapilzen ein. Die hieraus resultierende Symbiose übt einen großen Einfluss auf die Pflanze aus. Am häufigsten wurde ein verbesserter Ernährungsstatus der Pflanze dokumentiert, jedoch wurden auch andere Effekte beobachtet, so z.B. eine erhöhte Resistenz gegen Wurzelpathogene. Die Entwicklung einer Ektomykorrhiza führt des Weiteren zur Ausbildung einer spezifischen mikrobiellen Gemeinschaft. Einige dieser Bakterien, die die Ausbildung der Mykorrhiza fördern, werden als Mykorrhiza-Helfer-Bakterien (MHB) bezeichnet. Die Gesamteinflüsse der MHBs auf die Pflanze und der Mykorrhizabildung auf die pflanzliche Abwehr gegen Blattpathogene wurde bisher nicht detailliert untersucht. Die Hauptziele dieses Projektteils sind zu untersuchen, wie die Stieleiche (Quercus robur L.) die physiologischen und molekularen Antworten während der Interaktionen mit drei natürlicherweise vorkommenden Mikroorganismen koordiniert. Hierzu gehört der Erreger des Eichenmehltaus, Microsphaera alphitoides, ein MHB und der Ektomykorrhizapilz Piloderma croceum. Die Auswirkungen dieser drei Mikroorganismen auf Genregulation und Assimilatverteilung werden über Microarray-Analyse sowie durch Kohlenstoffmarkierung verfolgt. Nachfolgend sollen Mykorrhiza-assoziierte Bakterien bezüglich ihres Effektes auf die pflanzliche Resistenz gegen Wurzelpathogene und Blattherbivore, Photosynthese und Assimilatverteilung untersucht werden.
In den letzten beiden Jahrzehnten haben Störungen durch Sturm- und Orkanereignisse (1990: Vivian, Wiebke; 1999: Lothar) vor allem in Südwestdeutschland zu großen Kahlflächen geführt. Diese bieten sich hervorragend als Modellflächen an zur Erforschung des Einflusses von Großstörungsereignissen auf eine Co-Dynamik der genetischen Diversität von Baumarten und ihrer obligat vergesellschafteten Ektomykorrhiza während nachfolgender Sukzessionsprozesse. Erstmalig sollen solche Untersuchungen im Rahmen eine diszplinären Verbundprojektes am Symbion 'Tanne' (Tannenindividuum - Ektomykorrhiza) durchgeführt werden. An denselben und räumlich explizit erfassten Tannenindividuen (Alt- bzw. Jungbäumen) werden vergleichende populationsgenetische und geostatistische Untersuchungen bezogen auf Baum und Ektomykorrhiza durchgeführt. Die Genotypisierungen bzw. genetischen Fingerprintings erfolgen mittels molekularer Marker. Die Erfassung und Verschneidung räumlich genetischer Muster von Wirtsbaum und zugehörigem Symbiosepar tner soll zuletzt zur Untersuchung einer räumlichen Co-Dynamik führen. In Simulationsstudien sollen diese Muster über Generationen fortgeschrieben werden, indem die Parameter 'Größe der Störungsfläche' und 'Ausmaß und Verteilung der genetischen Diversität der angrenzenden Source-Bestände' verändert werden.
Pflanzenwurzeln koennen die chemischen und physikalischen Bedingungen in ihrer unmittelbaren Bodenumgebung, der Rhizosphaere, aktiv beeinflussen. Durch Wurzelabscheidungen und andere Mechanismen veraendern sie zum Beispiel die Verfuegbarkeit von Bodennaehrstoffen und den Saeuregrad (pH-Wert) des Bodens. Diese Effekte haben auf den meist naehrstoffarmen Waldboeden eine besondere Bedeutung, genauso wie die Intensitaet des jaehrlichen Wurzelzuwachses und die Lebensdauer der Wurzeln. Unter Verwendung verschiedener Waldboeden werden deshalb unter kontrollierten Bedingungen Versuche durchgefuehrt. Sie sollen zeigen, wie verschiedene Umwelteinfluesse wie (Trockenheit, Bodenversauerung, Naehrstoffmangel und Naehrstoffueberschuss) das Wurzelwachstum der Fichten beeinflussen und wie die Wurzeln in ihrer Aktivitaet darauf reagieren. Fichtenwurzeln leben, wie die Wurzeln fast aller anderen Baeume, sehr haeufig in Symbiose mit bestimmten Pilztypen (Ektomykorrhizen). Auch der Beitrag und die Wirkungsweise dieser Mykorrhizen beim Wachstum von Fichten soll charakterisiert werden. Die Beobachtung der Wechselwirkungen im Raum Pflanzenwurzel- Pilz-Boden koennte auch die Aufstellung von Kausalanalysen zum Auftreten neuartiger Waldschaeden erleichtern.
Auf den Flaechen des ARINUS-Projektes (PEF 1 86 012, 1 90 015, 1 93 006) und durch in-vitro Versuche wurde der Einfluss von Duengungen auf Ektromykorrhizen untersucht. Die Untersuchungen sollten einen Beitrag zur Oekologie und zur Reaktion von Mykorrhizen auf Umweltbelastungen und Restabilisierungsmassnahmen leisten. Die Forschungsarbeiten sollten zur Klaerung folgender Fragen beitragen: - Welchen Einfluss haben Ammoniumsulfat- und Kalium-Magnesiumsulfat-Duengungen auf die Mykorrhizierung und das Wurzelwachstum in Waldoekosystemen? Ist ein Rueckgang der Mykorthizafrequenz zu beobachten? Treten anatomische und morphologische Veraenderungen an den Mykorrhizen der geduengten Flaechen auf? - Wird die Zusammensetzung der Mykorrhizatypen veraendert? Verschwinden gewisse Mykorrhizatypen, bzw. erfahren andere eine starke Foerderung? - Unterscheiden sich verschiedene Mykorrhizatypen in ihrer Aufnahme- und Speicherfaehigkeit der Elemente Mg, K, P und N? Besteht ein Zusammenhang mit der Hyphenmantelstruktur? In Kulturversuchen mit Fichtensaemlingen wird einem Mykorrhizapilz (Pisolithus tinctorius) wurde der Einfluss von verschiedenen Stickstoff(N)-Formen und N-Konzentrationen auf die Mykorrhizierung und den Elementgehalt in Wurzeln und Nadeln untersucht. Bei den niedrigsten Konzentrationen (7 ppm N) war die Hartig-Netz-Bildung gering, im Bereich 25-56 ppm N war die Mykorrhizierung am besten. In den hoeheren Varianten kam es noch zu einer Hyphenmantelbildung, ein Hartig-Netz fehlte jedoch ganz und es gab viele intrazellulaere Infektionen. Auf den ARINUS-Versuchsflaechen wurde der Einfluss von Mg-Sulfat- und Ammonum-SulfatDuengungen' auf Mykorrhizen und Feinwurzeln untersucht. Die N-Duengung bewirkte eine Reduktion der relativen Mykorrhizahaeuflgkeit und einen Anstieg der unxnykorrhizierten Spitzen. Nach der Mg-Duengung blieb die relative Mykorrhizahaeufigkeit unveraendert, der Prozentsatz an unmykorrhizierten Spitien stieg leicht an. Eine Zunahme von Schaeden an Mykorrhizen (Nematodenbefall, abgestorbene Meristeme, Infektionen im Zentralzylinder) und Feinwurzeln (abgestorbene, uebergipfelte Wurzelspitzen) wurde im Zusammenhang mit den Duengungen nicht bemerkt. Die Mg-Gehalte der Feinstwurzeln stiegen nach der Mg-Duengung deutlich an, die N-Gehalte blieben nach der N-Duengung nahezu unveraendert. Alle Teilflaechen zeigten eine grosse Mykorrhizaartenvielfalt: insgesamt konnten 32 verschiedene Formen naeahgewiesen werden, pro Teilflaeche waren es zwischen 17 und 21 Formen. Eine Veraenderung des Artenspektrums wurde nach den Duengungen nicht beobachtet.
Wurzel-Boden-Interaktionen werden im Zusammenhang mit den neuartigen Waldschaeden haeufig diskutiert, wobei bisher uebersehen wird, dass derartige Interaktionen im Bereich der Mykorrhizosphaere stattfinden und an ihnen nicht nur die Mykorrhzi selbst, sondern auch die sie begleitenden Rhizoplanen- und Rhizosphaerenpilze beteiligt sind. Ueber die Vorgaenge ist im einzelnen sehr wenig bekannt. Bei ersten Voruntersuchungen unserer Arbeitsgruppe wurden Unterschiede im Artenspektrum von Rhizosphaeren- und Rhizoplanenpilzen gefunden, die sich wahrscheinlich zur Vitalitaet und den Typen der Mykorrhizen sowie dem Gesundheitszustand der Baeume in Beziehung setzen lassen. Mit der Abnahme der Artenzahl und der Haeufigkeit gewisser Rhizosphaerenpilze ging eine Zunahme an pathogenen Pilzen und eine Verschlechterung des Bestandeszustandes einher. Kalkungsmassnahmen scheinen hierauf ebenfalls einen Einfluss zu haben. Diese Zusammenhaenge sollen sowohl in verschiedenen Bestaenden als auch experimentell genauer untersucht werden. Die Pilze der Rhizosphaere und der Rhizoplane, die die Mykorrhizen unterschiedlich geschaedigter Bestaende besiedeln, sollen isoliert und bestimmt werden. Ihr Auftreten in Abhaengigkeit von Typ und Vitalitaet der Mykorrhizen sowie dem Alter der Baeume soll dokumentiert werden. An ausgewaehlten Beispielen soll die Schutzwirkung der Mykorrhiza selbst und einiger begleitender Rhizosphaerenpilzarten gegen pathogene Wurzelpilze experimentell ueberprueft werden.
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