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Doctoral Thesis
2023
Ecological and molecular characteristics of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) on mercury phytoremediation
Ecological and molecular characteristics of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) on mercury phytoremediation
Abstract (English)
Environmental pollution caused by harmful chemicals represents a major challenge worldwide. Among these, heavy metals (HM) in soils are of particular concern due to their persistence, toxicity, and bioaccumulation which can significantly threaten human health, plant growth, and ecosystem integrity. Phytoremediation, which uses plants to extract pollutants from soils, has been recognized as a promising approach to remediate HM-contaminated soils. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)-assisted phytoremediation has shown great potential to enhance plant growth and metal uptake by forming a mutual association between plant roots and AMF, which can improve nutrient uptake and tolerance to environmental stress. Despite its potential, however, the effectiveness of this approach can be limited by various factors, such as environmental and geographic factors, soil properties, and plant-microbe interactions. An advanced fundamental understanding of both ecological and molecular characteristics of this technology is thus crucial to improve its effectiveness and application potential. Therefore, the impetus of this doctoral thesis was to investigate the potential of AMF in phytoremediation of soils contaminated with HM, with a particular focus on mercury (Hg) remediation.
The first study (Chapter 2) contributes to the ecological understanding of AMF in a degraded ecosystem. In this study, two geographically distinct, abandoned gold mining locations in Ghana were selected and the genetic diversity and composition of AMF communities both in the rhizosphere and roots of the pioneer plant Pueraria phaseoloides (Roxb.) Benth. (tropical kudzu) were analyzed using a metagenomic sequencing approach. To determine the primary factor shaping AMF communities, both biotic (plant identity) and abiotic factors (geographic locations and soil conditions) were examined. In total, 195 amplicon sequence variants (ASV) affiliated to eight genera of the phylum Glomeromycota were identified. The root compartment showed a lower diversity than the rhizosphere soils and a difference of AMF compositions between the two compartments was detected irrespective of geographical location. Moreover, co-occurrence network analysis revealed two different keystone species in the two compartments, i.e., Acaulospora in rhizosphere soil and Rhizophagus in roots. The high abundance of Rhizophagus in the roots of P. phaseoloides was the result of a good match of functions between plant and AMF. Collectively, the results indicated that plant compartment (root versus rhizosphere) is the main factor shaping AMF communities associated with P. phaseoloides.
The second study (Chapter 3) comprises a research synthesis of the role of AMF in zinc (Zn), cadmium (Cd), and Hg bioremediation. The study assumed that mycorrhization plays a role in modulating the uptake of Hg, facilitated by Zn and/or Cd transporters. The synthesis demonstrated that AMF have the ability to regulate the transporters responsible for Zn and Cd uptake and transport, such as ZIP (zinc-iron permease or ZRT-IRT-like protein), CDF (cation diffusion facilitator), NRAMP (natural resistance-associated macrophage proteins), and HMA (heavy metal ATPase). This regulation can either enhance or inhibit the uptake and transport of Zn or Cd. The extent of this regulation is influenced by multiple factors, such as the plant species, the species of AMF involved, and soil conditions, including pH and elements such as phosphorus (P). It was concluded that future research is needed to investigate the optimal environmental conditions under which AMF are effective in Hg remediation for appropriate application.
The third study (Chapter 4) offers essential insights into the distinct functions of AMF symbiosis in Hg partitioning in plants. This relationship was assessed in the context of Zn uptake mechanisms and the expression of two Zn transporter genes (ZIP2 and ZIP6). Zn is crucial for plants and has a similar outer electronic configuration as Hg, which implies a potential competition for the same transporters. In a greenhouse experiment, plants of Medicago truncatula were exposed to different Hg concentrations with and without inoculation of the AMF species Rhizophagus irregularis. This study demonstrated that mycorrhizal symbiosis improved plant Hg tolerance under Hg exposure, but the specific roles of mycorrhizal symbiosis in Hg partitioning depended on Hg concentrations in the substrate. A negative relationship between Hg and Zn concentrations in roots was observed, although the expression of Zn transporters (ZIP2 and ZIP6) by mycorrhizal inoculation was upregulated irrespective of Hg concentrations in the substrate. More importantly, mycorrhizal colonization reduced Hg concentrations in leaves compared to controls, regardless of Hg concentrations in the substrate. This study demonstrated that mycorrhizal symbiosis influences Hg uptake in M. truncatula and highlights the importance of AMF in phytoremediation.
Overall, this doctoral thesis extends the understanding of AMF in phytoremediation with insights from both ecological and molecular perspectives and provides a knowledge basis to realize the potential and implementation of this technology.
Abstract (German)
Die Umweltbelastung durch schädliche Chemikalien stellt weltweit eine große Herausforderung dar. Unter diesen sind Schwermetalle in Böden aufgrund ihrer Persistenz, Toxizität und Bio-akkumulation von besonderer Bedeutung, da sie die menschliche Gesundheit, das Pflanzen-wachstum und die Funktion von Ökosystemen erheblich gefährden können. Phytoremediation, bei der Pflanzen Schadstoffe aus Böden extrahieren, wird als vielversprechender Ansatz zur Sanierung von schwermetall-kontaminierten Böden angesehen. Die durch arbuskuläre Mykorrhizapilze (AMF) unterstützte Phytosanierung hat ein großes Potenzial zur Verbesserung des Pflanzenwachstums und der Metallaufnahme, da eine wechselseitige Verbindung zwischen Pflanzenwurzeln und AMF gebildet wird, welche die Nährstoffaufnahme und die Toleranz gegenüber Umweltstress verbessern kann. Trotz seines Potenzials kann die Effektivität dieses Ansatzes jedoch durch verschiedene Faktoren begrenzt werden, wie z.B. Umwelt- und geografische Faktoren, Bodeneigenschaften und Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben. Ein erweitertes grundlegendes Verständnis sowohl der ökologischen als auch der molekularen Eigenschaften ist daher entscheidend für ein erhöhtes Anwendungspotenzial dieser Technologie. Der Anstoß zu dieser Doktorarbeit war daher die Untersuchung des Potenzials von AMF bei der Phytosanierung von Böden, die mit Schwermetallen kontaminiert sind, mit besonderem Fokus auf die Quecksilber (Hg)-Sanierung.
Die erste Studie (Kapitel 2) trägt zum ökologischen Verständnis von AMF in einem degradierten Ökosystem bei. In dieser Studie wurden zwei geografisch unterschiedliche, aufgegebene Gold-minenstandorte in Ghana ausgewählt und die genetische Vielfalt und Zusammensetzung von AMF-Gemeinschaften sowohl in der Rhizosphäre als auch in den Wurzeln der Pionierpflanze Pueraria phaseoloides (Roxb.) Benth. (Tropischer Kudzu) unter Verwendung eines metagenomischen Sequenzierungsansatzes analysiert. Um den primären Faktor zu bestimmen, der AMF-Gemeinschaften prägt, untersuchte diese Studie sowohl biotische (Pflanzenidentität) als auch abiotische Faktoren (geografische Standorte und Bodenbedingungen). Insgesamt wurden 195 Amplikon-Sequenzvarianten (ASV) identifiziert, die zu acht Gattungen des Stammes Glomeromycota gehören. Das Wurzelkompartiment zeigte eine geringere Diversität als die Rhizosphärenböden und es wurde unabhängig von der geografischen Lage ein Unterschied in der AMF-Zusammensetzung zwischen den beiden Kompartimenten festgestellt. Darüber hinaus ergab die Co-Occurrence-Netzwerkanalyse zwei verschiedene Keystone-(Schlüssel-)Arten in den beiden Kompartimenten, d.h. Acaulospora im Boden der Rhizosphäre und Rhizophagus in Wurzeln. Das hohe Vorkommen von Rhizophagus in den Wurzeln von P. phaseoloides war das Ergebnis einer guten Übereinstimmung der Funktionen zwischen Pflanze und AMF. Insgesamt zeigten die Ergebnisse, dass das Pflanzenkompartiment (Wurzel versus Rhizosphäre) der Hauptfaktor ist, der AMF-Gemeinschaften formt, die mit P. phaseoloides assoziiert sind.
Die zweite Studie (Kapitel 3) umfasst eine Forschungssynthese der Rolle von AMF bei der biologischen Sanierung von Zink (Zn), Cadmium (Cd) und Hg. Die Studie legte zugrunde, dass die Mykorrhizierung eine Rolle bei der Modulation der Hg-Aufnahme spielt, welche durch Zn- und/oder Cd-Transporter erleichtert wird. Die Synthese zeigte, dass AMF in der Lage sind, die Transporter zu regulieren, die für die Aufnahme und den Transport von Zn und Cd verantwortlich sind, wie ZIP (Zink-Eisen-Permease oder ZRT-IRT-ähnliches Protein), CDF (Kationendiffusionsförderer), NRAMP (natürliche resistenzassoziierte Makrophagenproteine) und HMA (Schwermetall-ATPase). Diese Regulierung kann die Aufnahme und den Transport von Zn oder Cd entweder erhöhen oder hemmen. Das Ausmaß dieser Regulierung wird von mehreren Faktoren beeinflusst, wie z.B. der Pflanzenart, der beteiligten AMF-Art und den Bodenbedingungen, einschließlich pH-Wert und Elementen wie Phosphor (P). Es wurde der Schluss gezogen, dass weitere Forschung erforderlich ist, um die optimalen Umgebungs-bedingungen zu bestimmen, unter denen AMF bei der Hg-Sanierung für eine angemessene Anwendung wirksam sind.
Die dritte Studie (Kapitel 4) gibt wesentliche Einblicke in die unterschiedlichen Funktionen der AMF-Symbiose bei der Hg-Verteilung in Pflanzen. Diese Beziehung wurde im Zusammenhang mit Zn-Aufnahmemechanismen und der Expression von zwei Zn-Transportergenen (ZIP2, ZIP6) bewertet. Zn ist ein essentielles Element für Pflanzen und hat eine ähnliche äußere elektronische Konfiguration wie Hg, was eine potenzielle Konkurrenz um dieselben Transporter impliziert. In einem Gewächshausversuch wurden Pflanzen von Medicago truncatula mit und ohne Inokulation der AMF-Spezies Rhizophagus irregularis unterschiedlichen Hg-Konzentrationen ausgesetzt. Diese Studie zeigte, dass die Mykorrhiza-Symbiose die pflanzliche Hg-Toleranz unter Hg-Exposition verbesserte. Die spezifische Rolle der Mykorrhiza-Symbiose bei der Hg-Verteilung hing jedoch von den Hg-Konzentrationen im Substrat ab. Eine negative Beziehung zwischen Hg- und Zn-Konzentrationen in den Wurzeln wurde beobachtet, obwohl die Expression von Zn-Transportern (ZIP2 und ZIP6) durch Mykorrhiza-Inokulation unabhängig von den Hg-Konzentrationen im Substrat hochreguliert wurde. Noch wichtiger ist, dass die Besiedlung mit Mykorrhiza die Hg-Konzentrationen in den Blättern im Vergleich zu den Kontrollen reduzierte, unabhängig von den Hg-Konzentrationen im Substrat. Diese Studie zeigte, dass eine Mykorrhiza-Symbiose die Hg-Aufnahme bei M. truncatula beeinflussen kann und unterstreicht die Bedeutung von AMF bei der Phytoremediation.
Insgesamt erweitert diese Doktorarbeit das Verständnis von AMF in der Phytoremediation um Erkenntnisse sowohl aus ökologischer als auch aus molekularer Sicht und bietet eine Wissens-basis, um das Potenzial und die Umsetzung dieser Technologie voll auszuschöpfen.
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Notes
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Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Agricultural Sciences in the Tropics (Hans-Ruthenberg-Institute)
Examination date
2023-07-13
Supervisor
Edition / version
Citation
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DOI
ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Standardized keywords (GND)
BibTeX
@phdthesis{Guo2023,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6871},
author = {Guo, Yaqin},
title = {Ecological and molecular characteristics of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) on mercury phytoremediation},
year = {2023},
school = {Universität Hohenheim},
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