Bacterial Activity and Community Composition in the Rhizosphere. Influence of plant species, root age, nitrogen addition and mycorrhizal status

Abstract

Microbial activity in soil is generally assumed to be limited by carbon availability. The soil closest to roots, the rhizosphere, is therefore a zone of high microbial activity due to carbon containing substances released by the root. In this work short-term effects in the rhizosphere have been the subject of investigation. I have shown that the thymidine and leucine incorporation techniques are well suited to the study of the effect of roots on rhizosphere bacterial activity. Bacterial activity in the rhizosphere was found to be 2-4 times higher than in the bulk soil. The turnover time found for rhizosphere bacteria was in the same range as those reported earlier. Bacterial activity in the rhizosphere increased with time, both when barley seedlings were studied at different ages and when samples were taken along the root. The effect of nitrogen addition on the activity of rhizosphere bacteria varied with the nitrogen source added, and were related to the pH induced in the rhizosphere. Toxic substances inhibiting bacterial activity were released from leek roots during the extraction of bacteria due to root injury during the sampling procedure. The composition of the microbial community in the rhizosphere was investigated using three different techniques: direct soil-PLFA, cfu-PLFA and CLPP (Biolog). All three methods were found suitable for rhizosphere studies. Different plant species were found to influence the rhizosphere bacteria differently, concerning both activity and community composition. Arbuscular mycorrhizal (AM) colonisation also influences rhizosphere bacteria differently depending on plant species. Plant species had a greater effect on the bacterial community in the rhizosphere than AM colonisation. This work demonstrates that the direct measurement technique of thymidine and leucine incorporation has the potential to become a useful tool in studies of bacterial activity in the rhizosphere.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Växter påverkar marken rent mekaniskt genom att jordstrukturen ändras när en rot växer, men också kemiskt genom att rötterna utsöndrar organiska molekyler. De organiska molekylerna ökar näringstillgången för mikroorganismerna i marken och därmed ändras tillväxthastigheten och biomassan hos mikroorganismerna. I området runt rötter, rhizosfären, råder det därför en hög mikrobiell aktivitet. Kunskap om mikrorganismer i rhizosfären är av betydelse för förståelsen av t ex tillgången av växtnäringsämnen, bakteriers växt-stimulerande effekt, bakteriers inverkan på marksanering och bakteriers förmåga att skydda växter mot sjukdomsalstrande organismer. Mikroorganismernas tillväxthastighet har varit svår att mäta i rhizosfären. Man har fått använda sig av ett antal ögonblicksbilder där man har räknat antalet bakterier vid olika tidpunkter. Genom denna metod kan man inte ta hänsyn till bakterietillväxt och celldöd. Predation av bakterier är t ex en bidragande faktor vad gäller bakteriernas populations-dynamik i rhizosfären och detta kan man inte mäta om man bara räknar antal bakterier vid olika tidpunkter. Metoder har emellertid utvecklats som kan användas vid mätning av bakteriers tillväxthastigheter, thymidin- och leucininkorporeringsteknikerna. Thymidininkorporeringsmetoden utnyttjar sambandet att mängden DNA som syntetiseras är proportionell mot den ökade biomassan av bakterier som sker vid tillväxt och leucininkorporeringsmetoden mäter proteinsyntesen, då radioaktivt leucin inkorporeras till protein. Det är en styrka att använda två komplementära metoder. I min avhandling har jag visat att dessa tekniker kan mäta bakterietillväxt i rhizosfärjord. Jag har använt dem till att studera ett flertal problemställningar. Skillnaden i bakterieaktivitet var betydande mellan rhizosfärjord och allmän jord. Skillnader kunde även påvisas över tiden och längs med roten. Aktiviteten ökade med åldern på roten och med avståndet till rotspetsen. Effekten av kvävetillsats på rhizosfärbakteriernas aktivitet varierade beroende på vilken kvävekälla som tillsattes. Kvävehalten påverkar pH i rhizosfären och bakteriernas tillväxt tycktes beroende av jordens pH. Olika växter påverkade rhizosfärbakterierna olika med avseende på aktivitet. Speciellt låg aktivitet fanns i rötter på purjolök. Det visade sig emellertid att när bakterierna extraherades från rhizosfärjord, frigjordes ämnen från rötterna som hämmade rhizosfärbakteriernas aktivitet. Mykorrhiza (samspel mellan svamp och växt) påverkade också rhizosfär bakterierna, men olika beroende av växtslag. De förändrade yttre förhållanden som uppstår när en rot växer genom marken påverkar inte bara aktiviteten och biomassan hos bakterierna i rhizosfären utan också sammansättningen av bakterierna, eftersom bakterier har preferenser till olika utsöndringsprodukter. Mängden utsöndringsprodukter och även vilka ämnen som utsöndras varierar längs med rötter. Hur detta påverkar bakteriesammansättningen i rhizosfären vet man lite om. Jag har använt mig av två metoder för att studera bakteriesamhällets sammansättning i rhizosfären: Biologtekniken (metaboliseringsprofiler) och mätningar av fosfolipidfettsyrasammansättningen. Fosfolipidfettsyra-sammansättningen skiljer sig mellan olika organismer. Dessa olikheter använder man sig av när man vill analysera det mikrobiella. Bakteriernas lipider extraheras, fraktioneras och därefter analyseras de specifika fettsyrorna från fosfolipidernaDetta medför att man kan mäta förändringen i sammansättningen hos bakteriesamhällen. Mikrobiella metaboliserings-profiler med systemet Biolog grundar sig på vilka ämnen ett visst bakteriesamhälle utnyttjar. Normalt studeras 95 olika kolkällor. Metoderna visade sig var användbara i rhizosfären. Jag fann att olika växter påverkade rhizosfärbakteriernas sammansättning olika. Växtslag hade större effekt på sammansättningen av bakteriesamhällen i rhizosfären än infektion av mykorrhiza.

• author: Söderberg, Katarina
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Christensen, Sören
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology
• keywords: CLPP, Microbiology, bacteriology, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi, Biolog, PLFA, mycorrhizal status, nitrogen addition, along roots, plant species, root age, thymidine and leucine incorporation, bacterial composition, Rhizosphere, bacterial activity
• pages: 124 pages
• defense location: N/A
• defense date: 2003-03-07 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: SE-LUNBDS/NBME-03/1019124pp
• ISBN: 91-7105-187-2
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I Söderberg, K. H., Bååth, E. (1998) Bacterial activity along a young barley root measured by the thymidine and leucine incorporation techniques. Soil Biology and Biochemistry 30: 1259-1268II Bååth, E., Pettersson, M. and Söderberg, K. H. (2001) Adaptation of a rapid and economical microcentrifugation method to measure thymidine and leucine incorporation by soil bacteria. Soil Biology and Biochemistry 33: 1571-1574.III Söderberg, K. H. and Bååth, E. (2003) The influence of nitrogen fertilisation on bacterial activity in the rhizosphere of barley. SubmittedIV Söderberg, K. H., Olsson, P. A. and Bååth, E. (2002) Structure and activity of the bacterial community in the rhizosphere of different plant species and the effect of arbuscular mycorrhizal colonisation. FEMS Microbiology Ecology 40: 223-231.V Söderberg, K. H. and Bååth, E. (2003) Bacterial activity in the rhizosphere of leek roots influenced by root injury during extraction of bacteria. ManuscriptVI Söderberg, K. H., Probanza, A., Jumpponen, A. and Bååth, E. (2003) The microbial community in the rhizosphere determined with community-level physiological profiles (CLPP) and direct soil and cfu-PLFA techniques. Manuscript
• id: 7195080c-b9f0-4954-97c7-8a31e330c8b3 (old id 465471)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:20:52
• date last changed: 2018-11-21 21:04:13