Communities and functions of arbuscular mycorrhizal fungi are affected by phosphorus fertilization and crop rotation
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2005Type
- Doctoral Thesis
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Abstract
Little is knownon the effects ofagricultural management practicessuch as fertilization,crop rotation, tillage, weed and pest managementon soil microorganisms such as arbuscular mycorrhizal fungi (AMF).This study aimed at finding whether the composition of AMF communities and their role in phosphorus (P) acquisition by maize were affected by P fertilization and by crop rotation. Two field experiments were studied: one in Kenya and one in Switzerland. In the Kenyan field experiment maize either did not receive P fertilization (-P) or received 50 kg P ha"1 y"1 (+P) and was included in two rotations: either continuous maize (COM) or maize-Crotalaria grahamiana rotation (MCF). In the Swiss experimentthe crops received three levels ofP fertilization (no P, P equivalent to the amount exported by the harvested products, or P in excess ofthe amount exported by the harvested products) and followed maize, wheat, and rapeseed rotation. Composition of AMF spore communities in soil was characterized in both field experiments using morphological characters and DNA sequencing. AMF communities colonizing maize roots in the Kenyan experiment were characterized by use of molecular markers. The influence ofP fertilization and crop rotation was assessed on functional properties of AMF communities with respect to their role in maize biomass production and P uptake. In total, 18 and 9 AMF species were found in Kenyan and Swiss soils, respectively. The spore densities of Acaulospora scrobiculata and Scutellospora verrucosa were higher in MCF than in COM. AMF species diversity was neither affected by crop rotation nor by P fertilization in Kenyan soil. The abundance of Scutellospora heterogama in maize rootswas lower under MCF than COM, whereas the abundance of Acaulospora mellea was lowerin roots from +P than -P soil underMCF. P fertilization had no influence on composition of AMF spore communities in Swiss soil, but crop species had strong effect on the AMF spore densities. AMF Community in the Swiss sollwas dominated by Glomus intraradices, which was attributed to the high clay content of the soil. For testing of AMF functional properties, maize plants were grown in a substrate containing either native soil microbial Community(including AMF) of the Kenyan or Swiss field soils or the native bacterial Community of these soils. Inoculation of maize with Kenyan soil containing AMF Community increased maize biomass production, whereas inoculation with the Swiss soil containing AMF Community decreased it. AMF communities from MCF delivered more P to maize than those from COM. P fertilization history did not affect P uptake properties of the AMF communities either in Kenyan or Swiss soils. Crop rotation thus appears to be a more important driver of the composition and functional properties of AMF communities than P fertilization of soil probably because of preferential association between certain AMF and crop species. Über die AuswirkungenlandwirtschaftlicherAnbaumassnahmen (Düngung, Fruchtfolge, Bodenbearbeitung,Unkraut-und Schädlingsbekämpfung)auf die Bodenmikroorganismen wie zum Beispiel den arbuskulären Mykorrhiza-Pilze(AMP) ist wenigbekannt. In je einem Feldexperimentin Kenia und der Schweiz wurde deshalb untersucht, ob die Zusammensetzungder AMP-Gesellschaftenund ihre Aufgabein der Phosphor (P)-Aufhahme durch Mais von der Düngung und der Fruchtfolge beeinflusstwerden. Im Feldexperimentin Kenia wurdenzwei Fruchtfolgen (Maisdaueranbau(MDA)und M&is-Crotalariagrahamiana-Brache (MCB)) mit zwei P-Düngungsstufen (kein P (-P) und 50 kg P ha"1 Jahr"1 (+P)), im SchweizerFeldexperimenteine Fruchtfolge (Mais - Weizen Raps) mit drei P-Düngungsstufen (kein P, P entsprechenddem Export durch das Erntegut und Überschussdüngung) untersucht.Die AMP-Sporengesellschaftenbeider Feldexperimente wurdenmittels morphologischer Charakterisierung sowie DNS-Sequenzierung, die wurzelbesiedelnden AMP-Gesellschaften im Kenianischen Feldexperimentmittels Molekularmarkemermittelt. Der Einfluss der P-Düngungund der Fruchtfolge wurdenanhand der funktionellen Eigenschaften der AMP-Gesellschaften bezüglich derenAufgabein der Mais-Biomassenproduktionund der P-Aufhahmebestimmt. Insgesamt konntenim KenianischenBoden 18 und im Schweizer Boden 9 AMP-Arten identifiziert werden.Die Sporendichte vonAcaulospora scrobiculata und Scutellospora verrucosawar in der MCB höher als im MDA. Die Artenvielfaltder AMPim Kenianischen Boden wurdeweder durch die Fruchtfolge noch durch die P-Düngung beeinflusst. In den Maiswurzeln war die Menge an Scutellospora heterogama in der MCB tiefer als im MDA, währendin der MCB die Menge anAcaulospora mellea in den Maiswurzeln des +P Verfahrenstieferwar als im -P Verfahren. Die AMP-Gesellschaften im Boden des Schweizer Feldexperimentes wurden durch die P-Düngung nicht beeinflusst, die Kulturpflanzenart hatte jedoch einen starken Einfluss aufdie AMP-Sporendichte. Die AMP-Gesellschaft im Schweizer Boden wurdevon Glomus intraradicesmdominiert, was auf den hohen Tongehaltin diesem Boden zurückgeführt werdenkann. Um die funktionellen Eigenschaften des AMP zu eruieren, wurden Maispflanzen in einem Substrat, das entweder die natürliche Bodenmikroorganismen (inklusiveAMP) des Kenianischenbzw. Schweizer Bodens oder die natürlicheBakterien enthielt, gezogen. Die Inokulation von Mais mit Kenianischem Boden, welcherdessen AMP-Gesellschaft enthielt, erhöhte die Mais-Biomassenproduktion,während dessen die Inokulation von Maismit Schweizer Boden mit dessen AMP-Gesellschaft,die Mais-Biomassenproduktion verringerte. Die P-Düngung beeinflusstedie P-Aufnahmeeigenschaften der AMP-Gesellschaften weder im Kenianischennoch im Schweizer Boden. Die Fruchtfolge hingegen scheint aufdie Zusammensetzung und die funktionellen Eigenschaften der AMP-Gesellschaften eine grössere Rolle zu spielen, als die P-Düngung; wohl deshalb, weil gewisse AMP-Arten bevorzugt Verbindungen mit bestimmten Kulturpflanzen eingehen. Show more
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https://doi.org/10.3929/ethz-a-005115364Publication status
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Examiner: Frossard, Emmanuel
Publisher
ETHSubject
TRITICUM AESTIVUM, BROTWEIZEN (PFLANZENBAU); BODENMYKORRHIZA (BODENMIKROBIOLOGIE); TRITICUM AESTIVUM, BREAD WHEAT (CROP PRODUCTION); MAIZE (CROP PRODUCTION); RAPS (PFLANZENBAU); MAIS (PFLANZENBAU); PHOSPHOR + PHOSPHATE (PFLANZENERNÄHRUNG UND DÜNGUNG); FRUCHTFOLGE + FRUCHTWECHSELWIRTSCHAFT + AUSWAHL DER KULTUREN (LANDWIRTSCHAFT); ARBUSCULAR MYCORRHIZA (PLANT ECOLOGY); SOIL MYCORRHIZA (SOIL MICROBIOLOGY); SWITZERLAND (CENTRAL EUROPE). SWISS CONFEDERATION; SCHWEIZ (MITTELEUROPA). SCHWEIZERISCHE EIDGENOSSENSCHAFT; PHOSPHORUS + PHOSPHATES (PLANT NUTRITION AND FERTILIZATION); CROP ROTATION + ROTATION FARMING + CHOICE OF CROPS (AGRICULTURE); KENYA (EAST AFRICA). REPUBLIC OF KENYA; ARBUSKULÄRE MYKORRHIZA (PFLANZENÖKOLOGIE); KENIA (OSTAFRIKA). REPUBLIK KENIA; RAPESEED (CROP PRODUCTION)Organisational unit
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