The functional role of phosphorus-mobilizing bacteria in the rhizosphere of tomato and maize

Nassal, Dinah

The functional role of phosphorus-mobilizing bacteria in the rhizosphere of tomato and maize

dc.contributor.advisor	Kandeler, Ellen	de
dc.contributor.author	Nassal, Dinah	de
dc.date.accepted	2018-01-08
dc.date.accessioned	2024-04-08T08:55:33Z
dc.date.available	2024-04-08T08:55:33Z
dc.date.created	2018-03-27
dc.date.issued	2017
dc.description.abstract	Phosphorus (P) is an essential plant nutrient. However, global P reserves are being increasingly exploited and surplus P applied by P fertilization is steadily accumulating in the form of plant-unavailable P compounds in arable soils. Future plant production will therefore require a more effective and sustainable P fertilization regime. One promising approach is the use of phosphorus-mobilizing bacteria (PMB), which are able to mobilize P in soil through mineralization or solubilization so effectively that plant P supply is improved. Increases in plant growth and P uptake by the addition of PMB have been reported several times, but PMB’s functional mechanisms in soils and plants are still poorly understood. However, an understanding of PMB’s functional mechanisms is necessary to evaluate both the potential and limitations of their use as well as to develop practical application recommendations. This thesis aimed to provide a better understanding of PMB’s functional mechanisms in soil; the foci here were mechanisms and interactions of P mineralization with indigenous soil microorganisms. We aimed to identify P mineralization-dependent and -independent as well as direct and indirect mechanisms of PMB on soil and plants. To this end, three rhizobox experiments were performed in the greenhouse using tomato and maize as the test plants and Pseudomonas sp. RU47 (RU47) as the PMB. To identify effective P mineralization beyond the level of endogenous microbial activity, a treatment using unselectively cultivated soil bacteria for inoculation was included. Furthermore, the addition of devitalized RU47 cells provided the opportunity to identify indirect mechanisms. In all three rhizobox experiments the activities of acid and alkaline phosphomonoesterases in rhizosphere and bulk soil were determined, as the latter could be clearly identified as being of microbial origin. Effects on microbial community structure in soil were estimated by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and/or phospholipid fatty acid analysis. For deeper investigations of potential effects on microbial population composition and possible dependencies on soil conditions, a fourth experiment was performed using maize, three different Pseudomonas strains possessing PMB abilities, and three different soils varying in parameters which included organic C, pH, and P content. Microbiome shifts in soil were quantitatively determined via quantitative PCR using domain- (bacteria, archaea, fungi) and six bacterial phylum-specific primers. Our experiments showed that tomato plants grown under low P availability soil conditions improved in both growth and P uptake when viable RU47 cells were added. This effect was accompanied by increased alkaline phosphatase activity (PA) in the rhizosphere. We also observed plant growth-promotion effects and a trend of increased PA by the addition of dead RU47 cells. Based on DGGE results, which indicated the promotion of indigenous rhizobacteria, we assume a priming effect induced by the addition of C sources in the form of bacterial residues (dead RU47), which resulted in increased indigenous microbial activity in the rhizosphere. In each rhizobox experiment viable RU47 cells were able to colonize the rhizosphere at high abundances, persisting up to 50 days after sowing. We found indications of phytohormonal influences with the addition of both viable and dead RU47 cells, but this was more pronounced in dead than in viable RU47 treatments. Increasing P availability in soil by mineral P fertilization seemed to improve RU47’s ability to colonize and persist, which was shown by an increased RU47 abundance in both rhizosphere and bulk soils. However, despite an observable slight tendency, strengthened plant growth-promotion that positively correlated with improved RU47 abundance in the rhizosphere could not be detected. In general, colonization by viable RU47 cells did not significantly affect microbial community structure, either in the rhizosphere or in bulk soil. Using three different PMB strains, including RU47, in three contrasting soils, inoculation effects on the microbial community occurred heterogeneously, differing between the strains, soils, and time. Changes at the domain level were due primarily to nutrient availability in the soil, which differed between the soils and over time. Individual shifts in microbial community structure occurred more frequently in the rhizosphere than in bulk soil, but colonizing PMB neither increased bacterial abundance in rhizosphere bacteria, nor displaced copiotrophic rhizobacteria (indicative of C competition).	en
dc.description.abstract	Phosphor (P) ist ein essentieller Pflanzennährstoff. Die zunehmende Verknappung der globalen P-Ressourcen sowie die steigende P-Anreicherung, in Form von für die Pflanze nicht nutzbaren P-Verbindungen, in agrarwirtschaftlich genutzten Böden zeigen die Dringlichkeit nach einer effizienteren P-Düngung in der zukünftigen Pflanzenproduktion. Einen vielversprechenden Ansatz bieten hierbei Phosphor-mobilisierende Bakterien (PMB). PMB sind in der Lage mittels Mineralisation und Demineralisation P im Boden effektiv zu mobilisieren und für die pflanzliche Aufnahme verfügbar zu machen. Positive Pflanzeneffekte durch den Einsatz von PMB konnten bereits mehrfach nachgewiesen werden; die zugrundeliegenden Funktionsmechanismen blieben jedoch weitgehend unbekannt. Das Wissen um diese Funktionsmechanismen ist jedoch grundlegend, um die Möglichkeiten und Grenzen des praktischen Einsatzes von PMB abschätzen und standortangepasste Anwendungsempfehlungen entwickeln zu können. Ziel dieser Arbeit war es, zu einem besseren Verständnis der Funktionsmechanismen von PMB im Boden beizutragen. Die Schwerpunkte lagen hierbei sowohl auf den Mechanismen der P-Mineralisation als auch auf bodenmikrobielle Interaktionen. Angestrebt wurde die Identifizierung von P-mineralisationsabhängigen und -unabhängigen sowie direkten und indirekten PMB-Mechanismen. Es wurden drei Wurzelkastenversuche unter Verwendung von Tomate und Mais als Testpflanzen und Pseudomonas sp. RU47 (RU47) als PMB-Stamm durchgeführt. Zur Identifizierung einer über die endogene mikrobielle Bodenaktivität hinausgehenden P-Mineralisation wurde jeweils eine Behandlungsgruppe mitgeführt, in der undifferenzierte Bodenbakterien für die Inokulation verwendet wurden. Die Unterscheidung von direkten und indirekten Mechanismen erfolgte durch die Zugabe von abgetöteten RU47-Zellen in einer weiteren Behandlungsgruppe. Es wurde jeweils die saure und alkalische Phosphomonoesteraseaktivität (PA) in Rhizosphäre und Umgebungsboden gemessen, wobei die alkalische PA einem mikrobiellen Ursprung zugewiesen werden kann. Die Untersuchung der Auswirkungen auf die mikrobielle Bodengemeinschaft wurde mittels der denaturierenden Gradienten-Gelelektrophorese (DGGE) und/oder der Phospholipidfettsäuren-Analyse durchgeführt. Für genauere Untersuchungen hinsichtlich möglicher Effekte auf die mikrobielle Bodengemeinschaft sowie deren Beeinflussung durch unterschiedliche Bodeneigenschaften wurde ein viertes Experiment unter Verwendung von Mais durchgeführt. Dieser Versuch enthielt drei Pseudomonas Stämme mit PMB-Eigenschaften sowie drei in ihren Bodeneigenschaften (z.B. C org, P, pH) unterschiedliche Böden. Effekte auf die mikrobielle Bodengemeinschaft wurden quantitativ mittels qPCR unter Verwendung von Domain- (Bakterien, Archaeen, Pilze) und sechs Bakterienphylum-spezifischer Primerpaaren bestimmt. Mit lebenden RU47-Zellen behandelte Tomatenpflanzen zeigten unter P-limitierten Bodenbedingungen eine Verbesserung im Pflanzenwachstum und der P-Aufnahme. Gleichzeitig wurde eine Erhöhung der alkalischen PA in der Rhizosphäre nachgewiesen. Ein pflanzenwachstumsverbessernder Effekt sowie eine erhöhte PA konnte auch bei der Verwendung abgetöteter RU47-Zellen beobachtet werden. An Hand der DGGE-Ergebnisse konnte hier auf eine Förderung endogener Rhizobakterien, vermutlich durch von Zugabe von leicht verfügbarem C in Form von bakteriellen Zellrückständen, geschlossen werden, welche die mikrobielle Aktivität in der Rhizosphäre erhöhte („Priming-Effekt“). Lebende RU47-Zellen zeigten in allen Wurzelkastenversuchen eine hohe Rhizosphären-Kompetenz; hoch abundant nachweisbar bis zu 50 Tage nach Aussaat. Es wurden Hinweise auf phytohormonelle Effekte in beiden RU47-Behandlungsgruppen gefunden, diese waren jedoch stärker ausgeprägt in der Gruppe, in der tote RU47-Zellen verwendet wurden. Bei erhöhter P-Verfügbarkeit im Boden (P-Düngung) konnte sowohl in der Rhizosphäre als auch im Umgebungsboden eine erhöhte RU47-Abundanz beobachtet werden. Trotz beobachteter Tendenzen, ein positiv mit der RU47 Rhizosphären-Abundanz korrelierender, pflanzenwachstumsverbessernder Effekt wurde nicht nachgewiesen. Die Besiedlung lebender RU47-Zellen führte weder in der Rhizosphäre noch im Umgebungsboden zu einer Veränderung der mikrobiellen Bodengemeinschaft. Die Verwendung drei verschiedener PMB-Stämme, darunter auch RU47, in drei verschiedenen Böden zeigte einzelne Inokulationseffekte auf die mikrobielle Gemeinschaft, welche jedoch stark zwischen den Stämmen, Böden und der Zeit variierten. Änderungen auf Domainniveau folgten vorwiegend der Nährstoffverfügbarkeit im Boden und variierten somit zwischen den Böden und Probezeitpunkten. Einzelne Inokulationseffekte auf die mikrobielle Bodengemeinschaft wurden häufiger in der Rhizosphäre als im Umgebungsboden beobachtet. Trotz hoher Rhizosphären-Kompetenz wurde weder ein Anstieg der Rhizobakterien-Abundanz noch eine Verdrängung copiotropher Rhizobakterien (C-Konkurrenz)dokumentiert.	de
dc.identifier.swb	501449272
dc.identifier.uri	https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6246
dc.identifier.urn	urn:nbn:de:bsz:100-opus-14634
dc.language.iso	eng
dc.rights.license	cc_by-nc-nd	en
dc.rights.license	cc_by-nc-nd	de
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
dc.subject	Plant growth-promoting bacteria	en
dc.subject	Phosphorus	en
dc.subject	Pseudomonas	en
dc.subject	Tomato	en
dc.subject	Maize	en
dc.subject	Soil enzymes	en
dc.subject	Phosphatase	de
dc.subject	P-Mobilisation	de
dc.subject	Bodenenzyme	de
dc.subject.ddc	630
dc.subject.gnd	Pseudomonas	de
dc.subject.gnd	Phosphor	de
dc.subject.gnd	Rhizosphäre	de
dc.subject.gnd	Tomate	de
dc.subject.gnd	Mais	de
dc.title	The functional role of phosphorus-mobilizing bacteria in the rhizosphere of tomato and maize	de
dc.title.dissertation	Die funktionelle Rolle von Phosphor-mobilisierenden Bakterien in der Rhizosphäre von Tomate und Mais	de
dc.type.dcmi	Text	de
dc.type.dini	DoctoralThesis	de
local.access	uneingeschränkter Zugriff	en
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local.bibliographicCitation.publisherPlace	Universität Hohenheim	de
local.export.bibtex	@phdthesis{Nassal2017, url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6246}, author = {Nassal, Dinah}, title = {The functional role of phosphorus-mobilizing bacteria in the rhizosphere of tomato and maize}, year = {2017}, school = {Universität Hohenheim}, }
local.export.bibtexAuthor	Nassal, Dinah
local.export.bibtexKey	Nassal2017
local.export.bibtexType	@phdthesis
local.faculty.number	2	de
local.institute.number	310	de
local.opus.number	1463
local.university	Universität Hohenheim	de
local.university.faculty	Faculty of Agricultural Sciences	en
local.university.faculty	Fakultät Agrarwissenschaften	de
local.university.institute	Institute for Soil Science and Land Evaluation	en
local.university.institute	Institut für Bodenkunde und Standortslehre	de
thesis.degree.level	thesis.doctoral

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