Effects of nitrogen deposition on the growth, metabolism and activity of ectomycorrhizal fungi

Abstract

Elevated nitrogen (N) deposition is an environmental problem that can affect plants and microorganisms, which are vital for the terrestrial N and carbon (C) cycles. This thesis has investigated the response of ectomycorrhizal fungi (EMF) to increased N deposition.

Ectomycorrhizal fungi form mutualistic interactions with the roots of woody plants, including almost all boreal and temperate forests tree species. Trees transfer photosyntetically-derived carbohydrates to EMF, which in exchange provide trees with water and nutrients, particularly N. In soil, a major part of N is present in organic forms, embedded in recalcitrant organic matter (OM), and it is believed that trees are dependent on degrading activities of EMF to gain access to this pool of N. This thesis provides evidences that EMF disrupt OM complexes when assimilating N using an oxidation mechanism. In order to release organic N, EMF can deploy a mechanism including Fenton chemistry involved in the production of hydroxyl radicals. It was also demonstrated that EMF can be equally efficient in degrading OM as saprotrophic brown-rot fungi.

Little is known about how the ability of EMF to modify OM is affected by increased N deposition. Many studies have shown that degradation of OM decreases with increasing N deposition. However, in this thesis it was demonstrated that N addition did not decrease the oxidation of OM by EMF when grown in axenic cultures with sufficient amounts of readily available C. Furthermore, work in this thesis showed that elevated N deposition decrease the biomass of EMF, which has been interpreted as a result of reduced C allocation from the tree host.

It was further demonstrated that during C-starvation, EMF can metabolize C and other nutrients from dying parts of its mycelia. This can influence the nutrient status of dead mycelia and affect the recalcitrance of EMF necromass, which is important to consider when studying C and N dynamics in forest soils, especially under increased N deposition when EMF are exposed to decreasing C supply from tree hosts.

Taken together, it is suggested that the most important factor regulating growth, activity and metabolism in EMF, is the C allocation from the tree host. However, most experiments were conducted in non-symbiotic systems and symbiotic experiments are needed to understand how plant C allocation affects EMF processes in natural systems. One gram of boreal forest soil typically contains hundreds of meters of ectomycorrhizal hyphae, thus, a shift in their capacity to assimilate organically bound N through the modification of OM can have major impacts on the cycling of carbon and other nutrients in forest ecosystems.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Nästan alla träd i våra skogar lever i samspel (symbios) med svampar. Många av dessa är ”vanliga” svampar, sådana som vi är vana vid att se och plocka i naturen, (exempelvis soppar, kremlor, riskor, flugsvampar och kantareller) men det finns också de som inte bildar fruktkroppar, eller har fruktkroppar som vi inte ser. Fruktkropparna, de som kan hamna i svampkorgen, är en väldigt liten del av en svamps totala storlek. Man skulle kunna likna dem vid äpplen på ett träd eller bär på en buske. Den allra största delen av svampen finns nämligen under jord och består av fina svamptrådar, hyfer, som sammantaget kallas för mycel, och det kan finnas flera hundra meter svamphyfer i ett enda gram jord!

Det finns två huvudgrupper av svampar, nedbrytare och mykorrhizasvampar. Nedbrytarna lever av att bryta ned organiskt material såsom döda grenar och fallna löv. Under nedbrytningen utsöndrar de ämnen, så kallade enzymer, som delar upp de komplexa molekylerna i det organiska materialet i mindre beståndsdelar. Till slut är molekylerna av kol och andra näringsämnen så små att svampen kan ta upp dem. Svampen behöver kol för att kunna växa och få energi precis som vi människor behöver mat (som består av kolhydrater). Andra näringsämnen som svampar vill ha är framför allt kväve och fosfor som behövs för många olika funktioner, t.ex. för att kunna omvandla kol till energi och för att kunna tillverka de enzymer som används vid nedbrytningen av dött material.

Den andra stora gruppen av svampar är mykorrhizasvamparna, de som lever i symbios med växter. Det finns olika sorters mykorrhizasvampar som lever i symbios med olika sorters växter, t.ex. träd, örter eller buskar. De så kallade ektomykorrhizasvamparna bildar framför allt symbios med träd, och är den grupp som har studerats i denna avhandling. Gemensamt för alla mykorrhizasvampar är att de fungerar som ett förlängt rotsystem till växten, och hjälper växten med att ta upp vatten och näringsämnen från jorden. Samtidigt hjälper växten svampen att få energi genom att den delar med sig av de kolhydrater som produceras vid fotosyntesen. Ordet mykorrhiza kommer från grekiskan och betyder just svamprot. Mykorrhizan är i egentlig mening själva strukturen där trädroten och svampmycelet möts och växer fast i varandra. Det är där som utbytet av kol och näringsämnen sker.

Till skillnad från hos nedbrytarsvamparna så har man inte sett lika stor kapacitet hos ektomykorrhizasvampar att med hjälp av enzymer bryta ner organiskt material. På senare tid har man dock börjat ändra uppfattning då en del studier har visat på en ganska hög nedbrytningskapacitet hos ektomykorrhizasvampar. Denna avhandling visar att nedbrytningen av organiskt material av ektomykorrhizasvampar inte bara behöver vara beroende av nedbrytande enzymer, utan den kan även åstadkommas genom en annan metod. Genom att utsöndra ämnen som omvandlar joner av järn och samtidigt bilda väteperoxid med hjälp av enzymer, så kan ektomykorrhizasvampar bilda så kallade hydroxylradikaler. Dessa är små molekyler bestående av ett syre och ett väte som är väldigt instabila och reaktiva och därmed kan bryta ned organiskt material. Denna process har tidigare visat sig vara vanligt förekommande hos brunrötesvampar som tillhör nedbrytarna, och vi visar här att ektomykorrhizasvampar kan vara lika effektiva som dessa. Men till skillnad från nedbrytarna så har vi vidare visat att ektomykorrhizasvampar verkar sakna förmågan att ta upp det kol som frigörs i processen. De verkar bara vara intresserade av de andra näringsämnena som frigörs i processen och är således beroende av det kol som de får från trädet.



Det näringsämne som det oftast råder brist på i nordliga skogar är kväve och det är därför vanligt inom skogsnäringen att man gödslar med kväve för att få skogen att växa bättre. Utöver den tillsats av kväve som sker genom gödsling så har användandet av fossila bränslen samt ett intensifierat jordbruk gjort att kvävedepositionen ökat kraftigt sedan 1950-talet. Kvävedeposition består främst av nitrat och ammonium. När man eldar fossila bränslen bildas kväveoxider som kan transporteras med vinden, omvandlas till nitrat, för att så småningom falla ner som nitratdeposition. Jordbuket är den främsta orsaken till deposition av ammonium då boskap och gödsling kan leda till stora utsläpp av ammoniak. På 1970-talet började man se de första effekterna av de ökade kväveutsläppen, såsom algblomning, övergödda sjöar och skogar som växte sämre och läckte kväve till omgivande vattendrag. Det första initiativet i Europa för att försöka minska kvävedepositionen togs 1988. Sedan dess har utsläppen sakta minskat, men kvävedepositionen i Europa är fortfarande relativt hög (i många områden 20-40 kg per hektar och år). I Sverige är kvävedepositionen lägre, södra delen har en genomsnittlig årlig deposition på cirka 10 kg per hektar medan i norra delarna är det cirka 2 kg per hektar. Många studier har visat att kvävegödsling och kvävenedfall kan påverka mängden och artsammansättningen av ektomykorrhizasvampar i våra skogar. Man tror att detta beror på att träden kan ta upp tillräckligt med kväve själva och således minskar på den mängd kol som skickas ner till svamparna. De flesta tidigare studier har dock gjorts i form av gödslingsförsök med höga tillsatser av kväve (över 50 kg per hektar och år). Resultat från denna avhandling visar att en negativ påverkan på ektomykorrhizasvampars tillväxt kan ske redan vid de relativt låga nivåer av kvävedeposition som vi har i Sverige. Dessutom visar vi att ektomykorrhizasvamparna kan motverka kväveläckage från skogsmarker, genom sitt effektiva upptag av kväve.

Det har tidigare visats att nedbrytarsvampar utsöndrar färre enzymer för att bryta ner organiskt material när det har kvävegödslats eller när kvävedepositionen är hög. Den totala nedbrytningen av organiskt material verkar också minska med ökad kvävedeposition. Exakt vad som är orsaken till detta är inte klargjort, men det beror troligen på en kombination av saker såsom minskad biomassa av svamp och bakterier, förändringar hos det organiska materialet samt att svamparna och bakterierna går över från att ta upp organiskt kväve till att ta upp oorganiskt kväve. Vi har undersökt hur ektomykorrhizasvampar påverkar organiskt material. Det visade sig att nedbrytningen av det organiska materialet inte påverkades när vi tillsatte oorganiskt kväve, så länge svampen hade tillgång till kol. Man kan fortfarande tänka sig att nedbrytningen av organiskt material av ektomykorrhizasvampar minskar med ökad kvävedeposition, men då som en effekt av att mängden svamp minskar på grund av att träden skickar en mindre mängd kol till svamparna. Slutsatsen är att mängden kol som trädet delar med sig av är väldigt viktigt för aktiviteten hos ektomykorrhizasvampar. Fler studier som undersöker nedbrytningsförmågan hos ektomykorrhizasvampar behöver dock göras i naturliga miljöer för att kunna dra några säkra slutsatser av hur de påverkas av kvävenedfall.



Eftersom nedbrytningen av organiskt material verkar minska med ökad kvävedeposition så kan det leda till att mer kol lagras i marken. Detta skulle kunna vara positivt genom att mer koldioxid, som är en bidragande orsak till den globala uppvärmningen, kan stanna kvar i marken när fallna barr, löv och grenar inte bryts ned i lika stor utsträckning. Men det har nyligen uppmärksammats att ektomykorrhizasvampar till en stor del kan bidra till kolinlagringen i våra skogar, exempelvis genom att delar av det döda mycelet är svårt att bryta ned för andra mikroorganismer. Eftersom vi visat att ektomykorrhizasvamparna minskar redan vid låga nivåer av kvävedeposition, så kan detta motverka kvävets positiva effekt på kolupplagringen. Det är därför viktigt att vidare utreda ekotmykorrhizzasvamparnas roll i kolinbindningen för att kunna säkerställa hur kvävedeposition och kvävegödsling påverkar upplagringen av kol i skogsjordar. Vidare visar resultat från den här avhandlingen att när ektomykorrhizasvampar utsätts för kolbrist så kan de inne i cellerna återanvända kol och näringsämnen från döende delar av sitt mycel. Dessutom kan de svamphyfer som fortfarande lever ta upp näringsämnen som läcker ut från döende delar av svampen. I naturen utsätts svamparna förmodligen ofta för kolbrist, och då inte bara när kvävedepositionen ökar utan även t.ex. under vintern när träden inte lika lätt kan binda kol från luften genom fotosyntesen. Nästan alla trädarter i nordliga skogar lever i symbios med ektomykorrhizasvampar. Att öka kunskapen om hur ektomykorrhizasvamparna påverkar omsättningen av kol och andra näringsämnen är väsentligt då enbart jordarna i dessa skogar binder lika mycket kol som både vegetationen och jorden gör i alla regnskogar tillsammans.

• author: Ellström, Magnus
• supervisor: Anders Tunlid; Håkan Wallander
• opponent: Professor Jones, Melanie, University of British Columbia, Okanagan campus, Department of Biology, Canada
• organization: MEMEG; Centre for Environmental and Climate Science (CEC); Microbial Ecology (research group); BECC: Biodiversity and Ecosystem services in a Changing Climate
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Earth and Related Environmental Sciences; Biological Sciences
• keywords: Nitrogen deposition, Ectomycorrhizal fungi, Symbiosis, SOM modification, Carbon starvation, Metabolism, Nitrogen leakage, IR-spectroscopy, Mesh bags, Microarray, Axenic growth, Transcriptomics.
• pages: 158 pages
• defense location: Blue Hall, Ecology Building
• defense date: 2014-04-30 10:00:00
• language: English
• LU publication?: yes
• id: ec18232a-b39f-43d2-8ac0-2c0acab917ae (old id 4389436)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:18:25
• date last changed: 2020-09-25 15:14:19