AARHUS UNIVERSITET. Tue Schmidt Ingvorsen ( ) Bachelorprojekt 15 ECTS

Transkript

1 AARHUS UNIVERSITET Hvilken rolle kan arbuskulære mykorrhizasvampe spille i en optimering af fosfor-udnyttelse i landbruget? What role can arbuscular mycorrhizal fungi play in an optimization of phosphorus utilization in agriculture? Tue Schmidt Ingvorsen ( ) 15 ECTS Vejleder: Sabine Ravnskov Institut for Agroøkologi Afgrødesundhed

2 Indhold SAMMENDRAG 3 INDLEDNING 3 1. ARBUSKULÆRE MYKORRHIZASVAMPE (AMS) Hvad er arbuskulære mykorrhizasvampe (AMS)? Beskrivelse af AMS s livscyklus FOSFOR (P) P i globalt perspektiv P i planter P i jorden 6 3. ARBUSKULÆR MYKORRHIZA OG FOSFOR Hvordan optager AMS fosfor? Kan AMS opfatte forskellige P-koncentrationer i jorden? 7 4. AMS S ROLLE I PLANTERS P-OPTAG? Hvordan sker udveksling af P imellem de to symbionter? Hvilken betydning har funktionel kompatibilitet for symbiosen i forhold til P-optag? 8 5. VIRKNING AF JORDBEHANDLING OG GØDSKNING PÅ AMS-POPULATIONER I JORDEN Hvilken effekt har jordbearbejdning på AMS og planters P-optag? Hvilken effekt har gødskning på AMS? 12 DISKUSSION 13 KONKLUSION 14 REFERENCER 14 2

3 Sammendrag I denne opgave undersøges effekten af jordbehandling og gødskning på arbuskulære mykorrhizasvampepopulationer i jorden. Dette gøres som et litteraturstudie, hvor tre langtidsforsøg analyseres og på baggrund af resultaterne fra disse forsøg diskuteres det om en ændring i jordbehandlings- og gødskningsstrategi kan påvirke arbuskulære mykorrhizasvampe (AMS) og derigennem være med til at optimere P-udnyttelsen i landbruget. Af analysen kan det konkluderes at jordbehandling og gødskning påvirker AMSpopulationer i jorden men, at der skal flere studier af AMS s funktionelle kompatibilitet og diversitet til, for at bestemme om ændringer i disse dyrkningspraksisser, kan være en metode til at optimere P-udnyttelsen i landbruget. Indledning Fosfor (P) er et afgørende næringsstof i landbruget, der globalt bruger 90 % af det P som bliver udvundet. Samtidig er P en begrænset ressource og beregninger viser, at reserverne af P vil blive opbrugt inden for de næste år (EcoSanRes, 2008). Derfor er der behov, for at finde nye og bedre metoder, til at udnytte det P der findes. I takt med, at der er en stigende interesse, for at gøre landbruget mere bæredygtigt, er der kommet øget fokus på økosystemtjenester. Arbuskulære mykorrhizasvampe danner symbiose med omkring 80 % af de undersøgte terrestriske planter (Smith and Read, 1997). Deriblandt mange af de landbrugsafgrøder som dyrkes til både foder og konsum (Ravnskov and Larsen, 2007), og er en naturlig del af disse afgrøders mikrobiologi. Symbiose mellem AMS og planter er blandt andet afgørende for planternes P-optag. Derfor er vigtigt at vide, hvilken effekt den dyrkningspraksis der udføres i landbruget har på AMS, og forstå hvad den betyder for AMS s kapacitet, til at optage P til afgrøderne. Det har længe været vidst, at AMS påvirkes af forskellige dyrkningspraksisser (Jansa et al., 2002, Oehl et al., 2003, Oehl et al., 2010). Formålet med projektet er derfor at undersøge, hvordan jordbehandling og gødskning påvirker AMS i jorden, og om ændringer i disse driftspraksisser derigennem kan være med til at optimere fosforudnyttelse i landbruget. 3

4 1. Arbuskulære Mykorrhizasvampe (AMS) Arbuskulære mykorrhizasvampe (AMS) hører til rækken Glomeromycota, som udgøres af ca. 200 arter og danner symbiose med omkring 80 % af de undersøgte terrestriske planter på jorden (Smith and Read, 1997). Symbiosen mellem planter og AMS kan dateres mange millioner år tilbage. Fund af 460 millioner år gamle fossiler af hyfer og sporer, som har mange ligheder med eksisterende AMS s morfologi, indikerer, at svampene var til stede på landjorden før karplanterne (Redecker et al., 2000). I planteproduktion har AMS også stor betydning og danner symbiose med mange af de afgrøder, der dyrkes, med undtagelse af bl.a. mange korsblomster, sukkerroer og rødbeder (Ravnskov and Larsen, 2007). Her indgår symbiosen som en vigtig del af plantens næringsoptag af bl.a. fosfor, som det kommes nærmere ind på i denne opgave. Forskning viser også, at AMS har en antagonistisk effekt i plantens værn mod patogener (Bødker et al., 2002, Bødker et al., 1998, Thygesen et al., 2004, Larsen and Bødker, 2001), dette er dog uden for rammerne af denne opgave. Derudover har AMS den gavnlige effekt, at den styrker jordens struktur (Gianinazzi et al., 2010). 1.1 Hvad er arbuskulære mykorrhizasvampe (AMS)? AMS findes i jorden, hvor de danner symbiose med planter, i hvilke de danner de arbuskler, som giver navn til svampene. AMS er obligat biotrofe og har derfor behov for en symbiont for at kunne leve. Der er ikke observeret et kønnet stadie hos AMS, men de producerer store ukønnede klamydosporer, der findes i jorden. Sporerne har tykke cellevægge med et højt indhold af chitin, hvilket gør dem modstandsdygtige, så de kan fungere som hvilestadie i svampens livscyklus. Der findes eksempler på sporer der kan overleve passage gennem tarmsystemet på nogle invertebrater, hvilket understreger robustheden af sporerne, men også beskriver en mulig spredningsvej for svampene (Smith and Read, 1997). Hovedparten af spredningen foregår dog i jorden fra allerede eksisterende mycelier eller i rodfragmenter (Smith and Read, 1997). Klamydosporerne kan indeholde mellem 100 og 1000 kerner, og sporernes morfologi bliver sammen med DNA-teknologi, brugt til at bestemme deres svampenes slægtskab. 1.2 Beskrivelse af AMS s livscyklus. Livscyklussen hos AMS initieres ved, at sporen i jorden danner en spirehyfe, som vokser hen til en rod, hvor koloniseringen kan ske. Forskning indikerer, at der forud for koloniseringen sker en udveksling af signalstoffer mellem svampen og værtsplanten som bl.a. påvirker spiringen af sporerne (Harrison, 2005). Når spirehyfen 4 Figur 1: Arbuskel ( xmarx/arbgood.jpg)

5 kommer i fysisk kontakt med værtsplantens rod, sker der en fasthæftning af svampen til roden, ved dannelse af et ellipseformet appressorium parallelt med cortex. Af appressoriet vokser der en koloniseringskile ind mellem plantens epidermis celler og danner et intercellulært mycelium. Fra dette mycelium afgår lateralt hyfer, som danner tætte forgreninger, der udgør arbusklerne (Figur 1). Arbusklernes store overfladeareal - qua mange forgreninger og lille diameter - bevirker, at der er mulighed for høj diffusion af næringsstoffer og vand mellem svampens hyfeceller og plantens celler. Arbuskler vokser mellem cellevæg og -membran og aldrig ind i cytoplasma. Omkring de dannede arbuskler dannes en specialiseret membran i plantecellen, den periarbuskulære membran. Den periarbuskulære membran danner sammen med plasmamembranen i hyferne en grænseflade (interfacial apoplast), som er afgørende for næringsstoftransporten mellem de to symbionter (Smith and Read, 1997). Udover arbuskler danner mange AMS også vesikler til oplagring af næringsstoffer. Tilsammen udgør arbuskler, vesikler og resten af myceliet i planteroden det interne mycelium. Miljøet i det interne mycelium er stabilt og afhængigt af plantens homeostase (Smith and Smith, 2011). Af det interne mycelium vokser der hyfer ud i den jord, der omgiver planterødderne og danner et eksternt mycelium. Det er i det eksterne mycelium, at klamydosporerne dannes. Det eksterne mycelium har grundet hyfernes lille diameter og høje forgreningsgrad et stort overfladeareal, der gør, at det er meget effektivt til at optage næringsstoffer fra jorden. Den del af rhizosfæren der påvirkes af myceliet kaldes for mycorrhizosfæren. Miljøet i mycorrhizosfæren er, i forhold til det i planterødderne, mere variabelt og ustabilt, og påvirkes af såvel biotiske som abiotiske faktorer i jorden. Udover klamydosporerne kan AMS kolonisere nye symbionter fra det eksterne mycelium eller fra rodfragmenter, der indeholder mycelium. Der, hvor der i forvejen er dannet et mycelium, er det, det eksterne mycelium og koloniserede rodfragmenter der er den primære kilde til nye koloniseringer. Hastigheden hvormed rødderne koloniseres variere fra 0,13 1,22 mm/dag afhængigt af plantearten og jordmiljøet (Smith and Read, 1997). Fordelingen af sporer varierer meget i forskellige jordtyper. Som udgangspunkt er der en positiv sammenhæng mellem tilstedeværelsen af planterødder og sporer op gennem jordlagene, men også i rodsystemer der i forvejen er koloniserede, ses der en positiv sammenhæng mellem antallet af sporer og koloniseringsgrad (Smith and Read, 1997). 2. Fosfor (P) 2.1 P i globalt perspektiv Uorganisk fosfor udvindes fra miner i bjerge og tilføres jordbruget som kunstgødning (Smil, 2000). At uorganisk P kommer fra bjerge gør, at det er en ressource, der er begrænset. Det er beregnet, at reserverne af P vil være opbrugt inden for de næste år, hvis ikke der ændres på forbruget af P (EcoSanRes, 2008). P er et afgørende næringsstof i jordbruget over 5

6 hele Jorden, og 90 % af den P, der udvindes, bruges i landbrugets plante- eller husdyrproduktion (Rosemarin, 2004). I takt med, at middelklassen i folkerige lande som Indien og Kina vokser, vil efterspørgslen på fødevare, især animalske produkter, stige og dermed også behovet for mineralsk P, hvis ikke udnyttelsen af det bliver optimeret (Cordell et al., 2009). 2.2 P i planter P er en vigtig byggesten i flere aspekter af planten. Det indgår bl.a. i energiomsætningen i form af ATP og i arveanlæg og genekspression i form af DNA og RNA. Derudover er det en vigtig bestanddel af fosforlipiderne i plantens cellemembran. De fundamentale processer, som fotosyntese, blomstring og frugtdannelse, er afhængige af et passende P-optag i planten. Også meristemet, hvor væksten foregår, er afhængig af P (Brady and Weil, 2010). 2.3 P i jorden Fosfor (P) findes hovedsageligt på tre former i jorden: Organisk P, calciumbundet uorganisk P og jern-/aluminiumbundet uorganisk P. I kalkholdig jord, som i Danmark, findes størstedelen af det uorganiske P bundet til calcium. P bindes stærkt til mineraler i jorden, og derfor er hovedparten af P, hvad end den er organisk eller uorganisk, bundet i jorden og frigives langsomt til jordvæsken. Dette betyder, at der kun er op til ca. 1 mg/l opløst P i dyrket jord (Brady and Weil, 2010). Grundet at P er stærkt bundet i jorden, opstår der i nærheden af planterødder hurtigt et område, hvor jordvæskens P-indhold er lavt, fordi planten optager det og en efterfølgende frigivelse sker langsomt. 3. Arbuskulær mykorrhiza og fosfor 3.1 Hvordan optager AMS fosfor? Overordnet set optages orthofosfat (Pi) fra jordvæsken omkring mykorrhizosfæren og transporteres via hyferne i det eksterne mycelium til det interne mycelium, ind i arbusklerne, hvor udvekslingen af næringsstoffer til plantecellerne sker. P frigives langsomt fra jordkolloiderne til jordvæsken, hvor den således bliver tilgængelig for såvel rødder som hyfer. Den langsomme diffusion fra bundet P til opløst P betyder, at koncentrationen af P sjældent er mere end 10 μm i jordvæsken. I levende organismer i jorden er koncentrationen noget højere, og i planteceller kan koncentrationen f.eks. være omkring 10 mm (Ezawa et al., 2002). Derfor er der behov for en effektiv Pi-transporter, til at mobilisere Pi over den høje elektrokemiske gradient og ind i cellen. Dette sker via lav- eller højaffinitet Pi transportere drevet af H + -ATPaser (Ezawa et al., 2002). Når Pi optages af hyferne inkorporeres det i cytosolens P-pool, så koncentrationen i cellen holdes konstant, og optaget ikke påvirker cellens metabolisme, syntese af fosforlipider mm. Ved optag af højere 6

7 koncentrationer af P, som kan påvirke metabolismen, oplagres P i vakuoler (Ezawa et al., 2002). Viereck et al. (2004) målte i et forsøg, at polyfosfat (PolyP) puljen i det eksterne mycelium hos G. intraradices var lig med eller højere end Pi-puljen. Derfor foreslås det, at PolyP er den primære form, hvorpå P findes i myceliet. Ydermere nævnes det, at akkumuleringen af PolyP muligvis har betydning for AMS s kapacitet til at bevare en høj rate af P-optag over længere periode, samt, at tilstedeværelsen af PolyP i vakuolerne hænger sammen med, at PolyP er den form, P bliver transporteret fra jordvæsken til planten på via AMS (Viereck et al., 2004). AMS optager altså Pi fra jordvæsken via Pi-transportere, hvorefter det omdannes til PolyP og kan translokeres til bl.a. arbusklerne og eksporteres til plantecellerne. Udvekslingen af P og kulstof (C) mellem planten og AMS beskrives i afsnit Kan AMS opfatte forskellige P-koncentrationer i jorden? Jorden er et heterogent voksemedie, hvor næringsstoffer som P er tilfældigt og ulige fordelt. Derfor er AMS s kapacitet til at vokse hen i mod de områder, hvor der er højere koncentrationer af P, relevant i forhold til deres optag. Dette blev undersøgt i et forsøg af Cavagnaro et al. (2005). Her kombineredes tre AMS arter (Gi. rosea, G. mosseae eller G. intraradices) med almindelig hør plantet i beholdere udstyrede med to kun-hyfe-tilgængelige kamre (HC). Kamrene indeholdte forskellige koncentrationer af radioaktivt mærket P ( 32 P/ 33 P) eller intet P (P0). Det ene kammer (HC1) havde et indhold af 32 P på 9 % (P0), 23 % (P1) eller 42 % (P2). Det andet kammer (HC2) havde et indhold af P 33 på 9 %. Ved at mærke P med forskellig radioaktivitet kunne P-optaget spores. Således observeredes det, at G. intraradices øgede optaget af P i HC1 med høj koncentration mens optaget af 33 P fra HC2 samtidig blev reduceret. Det forslås, at forklaringen til denne observation skal findes i, at G. intraradices kan opfatte forskelle i fordelingen af næringsstoffer, som fosfor, i jorden, og ændre P-optaget i myceliet, samt, at et øget P-optag i dele af myceliet, kan medfører ændringer i P-translokationen andre steder i myceliet. Således kan AMS have kapacitet til at udnytte de områder, hvor der er højst koncentration ved at øge optaget der. 4. AMS s rolle i planters P-optag? 4.1 Hvordan sker udveksling af P imellem de to symbionter? Udvekslingen af kulstof (C) og P er afgørende for det mutualistiske forhold mellem planter og AMS. Overordnet set sker der en transport af PolyP, optaget i det eksterne mycelium, til det interne mycelium og via arbusklerne videre til plantecellerne. Derudover sker der en modsatrettet transport af C fra planten til AMS s interne mycelium. I dette afsnit fokuseres på transporten af P til planten. 7

8 Solaiman and Saito (2001) demonstrerer en P-flux ud af det interne mycelium, som kan være med til at beskrive denne udveksling. Det observeredes i forsøget, at tilsætningen af sukker til myceliet i form af glucose og 2-deoxyglucose øger P-fluxen (3,5 μgp/g hyfe/ time). Samtidig sås det, at puljen af PolyP i hyferne blev reduceret tilsvarende (3,7 μgp/g hyfe/ time). Derfor foreslås det, at hydrolysen af PolyP øges på grund af optagelse af sukker, og der sker en flux af hydrolyseret P efterfølgende. Hvorvidt udvekslingen sker det samme sted i det interne mycelium er usikkert. Gianinazzi-Pearson et al. (1991) forslår på baggrund af måling, der viser aktivitet af ATPase i den periarbuskulære membran og ikke i resten af det interne mycelium, at udvekslingen af P sker her, mens optaget af C er mere sandsynligt uden for arbusklerne i det interne mycelium. 4.2 Hvilken betydning har funktionel kompatibilitet for symbiosen i forhold til P-optag? Funktionel kompatibilitet er et udtryk for, at der mellem de forskellige arter af AMS og planter, er nogle kombinationer, der er mere kompatible til at lave en funktionel symbiose end andre. Ravnskov and Jakobsen (1995) undersøgte den funktionelle kompatibilitet mellem to arter af AMS (Glomus caledonium og Glomus Invermaium) og agurk (Cucumis sativus L.), hvede (Triticum aestivum L.) og hør (Linum usitatissimum L.). Den funktionelle kompatibilitet blev målt som transporten af P via hyferne. Ved brug af kun-hyfetilgængelige kamre med 32 P, samt rod- og hyfetilgængelige kamre med 33 P kunne P-optaget måles. Således kunne det kvantificeres, hvor meget P de forskellige AMS-arter havde kapacitet til at optage i symbiose med hver af de tre plantearter. Her kunne det observeres, at effekten af P-optaget via en art AMS afhang af, hvilken planteart der indgik i symbiosen. I den sammenhæng konkluderes det, at der ved undersøgelser med henblik på selektion af AMS inokulum til praktiske formål, bør tage hensyn til, hvilken specifik plante symbiosen skal dannes med. I et andet forsøg af Munkvold et al. (2004) studeres funktionel diversitet inter- og intraspecifikt for fire arter af Glomus (G. mosseae, G. claroideum, G. caledonium og G. geosporum) i forhold til mycelievækst samt plantevækstfremme og P-optag. Ligesom i forsøget af Ravnskov and Jakobsen (1995) blev der her brugt en opdelt vækstbeholder med et tilknyttet kun-hyfetilgængeligt kammer (HC) indeholdende 33 P. Som værtsplante for Glomus sp. blev der brugt agurk (Cucumis sativus), og til studiet blev der brugt 24 isolater af Glomus sp. I forsøget blev der observeret en stor forskel i myceliernes vækst og kapacitet til at fremme plantens P- optag, intraspecifikt for Glomus. Myceliets vækst blev målt som længden af hyfe per gram jord i HC. Af Figur 2 fremgår det, at der Figur 2: hyfelængde i HC (m/g) for de forskellige arter af Glomus: G. mosseae (BEG161 BEG29), G. claroideum (V289 BEG14), G. caledonium (BEG15 V162) og G. geosporum (BEG106 og BEG90) (Munkvold et al., 2004). 8

9 er forskel i hyfelængden inden for Glomus sp. Det blev målt, at P-optaget til planterne via de forskellige isolater varierede betydeligt, men i overensstemmelse med observationerne af variationer i hyfevæksten (Figur 3Figur 2). På baggrund af observationerne i forsøget forslås det, at funktionel diversitet kan variere meget inden for de enkelte arter af AMS. Ydermere konkluderes det, at hvis funktionaliteten af AMS (mycelievækst, AMS P transport til planter og plantevækstfremme) skal kædes sammen på et fylogenetisk niveau, er der behov for en underinddeling på grund af arternes intraspecifikke forskellighed. 5. Virkning af jordbehandling og gødskning på AMS-populationer i jorden Jordbehandling og gødskning er to elementer af stor betydning for landbruget. Derfor er det relevant at se på, hvordan forskellige strategier påvirker populationerne af AMS i jorden, og hvorvidt de har en indflydelse på P-optaget via svampene. Tre forskellige artikler (Köhl et al., 2014b, Säle et al., 2015, Sheng et al., 2013) bruges til at belyse forskellige gødskningsformers og jordbehandlingsstrategiers effekt på AMS-populationer i jorden. 5.1 Hvilken effekt har jordbearbejdning på AMS og planters P-optag? Hvordan påvirkes AMS i jorden af pløjning? Artsrigdom, sporediversitet og - densitet? Påvirkningerne ved jordbehandling af AMS belyses i dette afsnit ved to langtidsforsøg af Köhl et al. (2014b) og Säle et al. (2015). I forsøget af Säle et al. (2015) undersøgtes effekten af to slags jordbehandling (reduceret (RO) eller konventionel (CO)) på AMS i økologisk dyrkede forsøgsfelter fra 2002 til Som kontrol blev der brugt to konventionelt dyrkede marker (IP) og en økologisk permanent græsmark (GL) for at have mulighed for at sammenligne AMS-populationer i forsøgsfelterne med populationer fra mere (IP) eller mindre (GL) intensivt dyrkede arealer i nærheden. Fra forsøgsfelterne og kontroljorderne blev der udtaget prøver til at måle sporedensitet og artsrigdom af AMS i jorden. Derudover blev der også lavet trap cultures, hvorfra der sammen med prøverne blev identificeret > sporer. I forsøgsfelterne blev der fundet 42 forskellige arter, og sammen med kontroljorderne blev der i alt fundet 53 arter. I den permanente græsmark blev der målt den højeste sporedensitet (46,9 sporer gjord -1 ; øverste 10 cm) og artsrigdom (38 arter; total). I de to konventionelle marker blev der fundet 28 og 33 arter. I CO-forsøgsfelterne blev der fundet sammen artsrigdom som på de konventionelle marker, mens der i RO-forsøgsfelterne blev fundet 33 arter. Primært i de øverste 10 cm af jorden var der forskel på, om der var lavet reduceret eller konventionel jordbehandling i forsøgsfelterne. Her var en forskel på 18 arter i RO og 11 og 15 arter i CO. Sporedensiteten var 9

10 ens i de konventionelle marker og CO-forsøgsfelterne, hhv. 29,7 32,2 og 29,5 29,8 sporer gjord -1 i de øverste 10 cm. I RO-forsøgsfelterne blev der målt en signifikant højere sporedensitet (42,7 48,9 sporer gjord -1 ; øverste 10 cm), hvilket var samme niveau som i den permanente græsmark. Ydermere blev der her målt en højere sporedensitet (34,8 37,8 sporer gjord -1 ) i dybde cm end i de øverste 10 cm af både de konventionelle kontrolmarker og CO-forsøgsfelterne. Det blev observeret, at fordelingen af arterne i nogle tilfælde afhang af de forskellige typer behandling. Glomus badium var sjældnere i dyrkede jorder, og særligt der hvor der var udført konventionel jordbehandling. Septoglomus constrictum var generelt observeret både i marker og i græsmarker, men antallet af sporer blev reduceret signifikant ved jordbehandling. Funneliformis mosseae var mere hyppig i forsøgsfelter med konventionel jordbehandling end med reduceret. Sporer fra Gl. diaphanum var mest udbredt i kontroljorderne. Dominikia aurea var ikke særligt korreleret til hverken jordbehandling eller de forskellige forsøgsfelter og kontroljorder. I forsøget demonstrerede Säle et al. (2015), ved målingerne af sporedensitet og identifikation af artsrigdom, at AMS-populationer i jorden bliver påvirket af, hvilken type jordbehandling og driftsform der bliver praktiseret, samt at der er adskillige indikatorarter, som er tilpasset forskellige driftsintensiteter og jordbehandlingstyper. I forsøget af Köhl et al. (2014b) blev effekten af AMS-populationer, fra jorder med (CT) og uden (NT) jordbehandling, på planteproduktivitet og P-optag undersøgt. Behandlingsstrategierne havde været praktiseret fra 1991 til Til forsøget blev der brugt kløver (Trifolim pratense), rajgræs (Lolium perenne) og vejbred (Plantago lanceolata) som værtsplanter. Der blev udtaget jordprøver fra CT- og NT-marker i 2009 og målt på sporedensitet og artsrigdom af AMS. Effekten af AMS-populationerne på P-optag og planteproduktivitet bliver behandlet til sidst i afsnittet, mens der her fokuseres på de målinger af densitet og artsrigdom, der blev udført. Prøverne blev taget i to dybder: 0-10 cm og cm. Sporedensiteten var højst ved NTjorder i begge dybder (19 og 54,9 sporer ginok -1 ) i forhold til CT-jorder, hvor sporedensiteten var 12,1 og 21,0 sporer ginok -1 hhv. Artsrigdommen var 15,7 ved 10 cm og 12,3 ved cm i NT-jorder og 15,3 i begge dybder i CT-jorder (Köhl et al., 2014a). Ydermere blev der også undersøgt, hvilke specifikke arter der var mest hyppige i hvilke jorder: Sporer fra Funneliformis mosseae, Claroideoglomus claroideum og Glomus intraradices var mest hyppige i inokulum fra jord udsat for konventionel jordbehandling i forhold til jord, hvor der ikke har været jordbehandling. I inokulum af NT-jorder blev der tilsvarende observeret en øget hyppighed af Diversispora celata, Septoglomus constrictum og Glomus BE12. Funneliformis mosseae og Diversispora celata var specifikke for hhv. CT- og NT-jord og blev kun fundet i de respektive jorder. Ligesom Säle et al. (2015) kunne Köhl et al. (2014b) demonstrer at artssammensætningen i jorden bliver påvirket af jordbehandling samt, at forskellige arter var specialister tilpassede forskellige dyrkningspraksis. 10

11 5.1.2 Hvordan påvirkes koloniseringsgraden af afgrøder? Köhl et al. (2014b) målte også, om der var forskel i koloniseringen af planterne. I forsøgsplots inokuleret med populationer fra NT-jord var hyfelængden i det eksterne mycelium dobbelt så stor som i de plots, der var inokuleret med populationer fra CT-jord (Figur 3). Ydermere blev der i de plots, der var inokuleret med populationer fra cm, observeret en større hyfelængde end dem, hvor inokulum kom fra de øverste 10 cm. Planterødder inokuleret med populationer fra CT havde en højere total kolonisering end de planter, der var dyrket i jord inokuleret med populationer fra NT. Tilsvarende var mængden af arbuskler og vesikler også signifikant højere i disse planterødder. Figur 3: Hyfelængde per gram jord (tørvægt); i plots: uden AMS (kontrol) eller inokuleret med NT eller CT; isolater fra forskellige dybder (10: 0-10 cm; 40: 30-40) Hvordan påvirkes P-optaget i planterne? Formålet med Köhl et al. (2014b) s forsøg var som nævnt at undersøge effekten af forskellige AMS-populationer på planters produktivitet og næringsstofoptag. Derfor blev biomassen af plantedele over jorden og af rødder, samt P- og N-indhold af disse også målt. Ved måling af det totale P-indhold i planteskud inokuleret med NT-populationer observeredes det, at indholdet her var øget i forhold til der, hvor planteskud var inokuleret med CT-populationer. Det totale P indhold i overjordiske plantedele var højst ved inokulering med populationer fra cm, og der var generelt en positiv korrelation mellem P-koncentrationen (overjordisk) og hyfelængden. Men der var en negativ korrelation mellem den totale mængde overjordisk biomasse og hyfelængden, og ingen sammenhæng mellem det totale P-indhold (overjordisk) og hyfelængden. Af N:P-ratio fremgik det, at både vejbred og rajgræs var kvælstofbegrænsede ved kolonisering af AMS, og ved tilsætning af inokulum fra NT-populationer var denne begrænsning øget i forhold til inokulum med CT-populationer. Det højere P-indhold i planteskud inokuleret med populationer fra NT jorder, forklares af Köhl et al. (2014b) ved betydeligt højere mængder af eksterne hyfer, hvilket understøtter, at størrelsen af det eksterne mycelium kan være afgørende for P-optaget. At der var en negativ korrelation mellem biomasse og hyfelængde og en positiv korrelation mellem P- koncentrationen i de overjordiske plantedele og hyfelængden forklares ud fra, at det blev observeret, at voksemediet var kvælstofbegrænset (Köhl et al., 2014b). Dermed vil et øget optag af P ikke medvirke til øget produktion af biomasse, da planten ikke kan akkvirere tilstrækkelige mængder N. Det nævnes samtidig, at andre forsøg har vist, at der ikke nødvendigvis er en sammenhæng mellem P-optag og øget biomasseproduktion i AM-planter, 11

12 samt at det ikke kan udelukkes, at andre jordlevende mikroorganismer også kan være årsag til de effekter, der observeres i forsøget. I de to forsøg demonstreres det, at jordbehandling har en effekt på AMS-populationerne i jorden, idet at der i begge forsøg observeres en reduktion i sporedensiteten og en variation i artssammensætningen afhængigt af de forskellige former for praksis. Ydermere konkluderes det, at der er et øget P-optag i de jorder, som er inokuleret med jord uden jordbehandling. 5.2 Hvilken effekt har gødskning på AMS? Hvordan påvirkes artsrigdom, sporediversitet og -densitet? Effekten af gødskning på AMS belyses i dette afsnit ved to forsøg af Säle et al. (2015) og Sheng et al. (2013). I forsøget af Säle et al. (2015), hvor effekten af reduceret og konventionel jordbehandling blev undersøgt på AMS-populationer i økologiske marker, blev der også set på virkningen af to forskellige gødskningsstrategier på AMS. Der blev brugt enten en kombination af dybstrøelse og gylle (M) eller kun gylle (S). I forsøgsfelterne observeres det, at der i de øverste 10 cm er en lavere artsrigdom ved strategi S (2,15 2,24) end ved M (2,33 2,39), både ved reduceret og konventionel jordbehandling. Ydermere var artsrigdommen altid højere ved reduceret jordbehandling og M (2,28 2,39) end ved konventionel jordbehandling og S (2,18 2,28) i alle jordlag. Arten Claroideoglomus claroideum var kun signifikant påvirket af gødskningsstrategi. Der observeres altså en effekt på artsrigdommen af AMS-populationer ved brug af dybstrøelse blandet med gylle frem for kun gylle. Det pointeres også, at både CCA analyser og ANOVA analyser viser, at jordbehandling og jorddybden har størst indflydelse. Sheng et al. (2013) undersøger i forsøget effekten af længerevarende jordbehandling og gødskning med uorganisk P på spredningen og populationsstrukturen af AMS, samt om jordbehandling ændrer virkningen af P-gødning på AMS. Der blev brugt soja som værtsplante og koncentrationer af P i jord og plante blev målt. Den største effekt blev observeret i de øverste jordlag (0 15cm). I de plots, hvor der var tilsat mest P35 (35 kgp ha -1 ), blev der observeret en stimulering af AMS sporedannelse. Samtidig blev der observeret en lavere hyfedensitet ved P-gødskning. En ANOVA test indicerede endvidere, at artsrigdommen blev påvirket af tilsætningen af P-gødning: en signifikant højere fylotypisk diversitet ved ingen tilsætning af P (P0) og Shannon-Weaver diversitets indeks var også højst ved P0. Fylotypisk diversitet og Shannon-Weaver diversitet indekset var positivt korreleret med det totale indhold af C og N i jorden men negativt korreleret med P-koncentrationen i planten og udbyttet. Forskellen i højere sporedensitet og lavere hyfedensitet forklares som en respons på P- gødskning med det resultat, at AMS allokerer ressourcer til dannelse af hvilesporer i stedet for hyfedannelse (Sheng et al., 2013), samt at responsen er et resultat er øget P-indhold i jord og 12

13 plante, som indirekte påvirker AMS, ved at planterne udskiller færre rodeksudater, der stimulere AMS til at danne sporer. Diskussion Eftersom fosfor er en begrænset ressource, der er estimeret til at blive udtømt inde for de næste år, er der behov for at finde nye metoder til at optimere P-udnyttelse i landbruget. Det er observeret, at forskellige strategier inden for jordbehandling og gødskning påvirker AMS i jorden. Derfor diskuteres det i dette afsnit, hvorvidt en ændring af jordbehandling og gødskning kan være en metode til bedre P-udnyttelse. At jordbehandling har betydning for AMS populationer i marken demonstreres af Säle et al. (2015) og Köhl et al. (2014b) i det, der både ved reduceret og ingen jordbehandling observeres en højere sporedensitet og en variation i artssammensætningen i forhold til konventionel jordbehandling. Høj sporedensitet er dog ikke ubetinget ensbetydende med høj AMS aktivitet og P-optag. I forsøget af Sheng et al. (2013) gøres rede for, at høj sporedensitet også kan være et resultat af ændringer i ressourceallokeringen i AMS på bekostning af hyfedannelse. Der observeres endvidere, at AMS populationer fra jorder, som ingen jordbehandling har fået, danner større eksterne mycelier (Köhl et al., 2014b). Størrelsen af det eksterne mycelium har betydning for AMS kapacitet til at optage P til planten. Derfor kan jordbehandling muligvis påvirke P-optaget indirekte, hvis det forholder sig som observeret af Köhl et al. (2014b), at inokulum med populationer fra CT-jorder danner mindre eksterne mycelier. I forhold til jordbehandling har brugen af dybstrøelse og gylle eller bare gylle mindre effekt på AMS populationer i jorden. Säle et al. (2015) observerede i CCA- og ANOVA analyser, at jordbehandling og dybden for prøvetagningen havde større betydning for populationer af AMS i jorden end gødskningskombinationerne, men at gødskningen havde en betydning, primært på artsrigdommen af AMS i jorden. Yderligere blev det i ANOVA analysen observeret, at Cl. claroideum blev signifikant påvirket af gødskning. Ved forsøg med uorganisk P blev der observeret en signifikant effekt på AMS sporedensitet og hyfedensitet (Sheng et al., 2013). Især ved den højeste P tilsætning blev der observeret højere sporedensitet og lavere hyfedensitet, hvilket typer på, at langvarigt brug af uorganisk P kan have en negativ effekt på dannelsen af det eksterne mycelium og dermed på P-transporten via AMS. Der bliver generelt observeret ændringer i populationssammensætningerne ved de forskellige former for dyrkningspraksis (jordbehandling, gødskning og mere eller mindre intensive driftstyper). Det er svært at bestemme, hvordan populationsændringerne påvirker P-optaget til planter. Som nævnt i afsnit 4.3 har funktionel kompatibilitet og diversitet stor 13

14 betydning for P-optaget (Munkvold et al., 2004, Ravnskov and Jakobsen, 1995). Derfor er der behov for en undersøgelse af funktionaliteten af de enkelte arter og hele populationer, ved ændring i jordbehandling eller gødskning, for at få et skarpere billede af, hvilke ændringer i dyrkningspraksis der kan være med til at optimere P-udnyttelsen i landbruget. Et andet aspekt som er vigtigt i en vurdering af effekten af ændringerne i dyrkningspraksis er, at artiklen af Köhl et al. (2014b), hvor der blev målt på ændringerne i P-optaget, blev planterne dyrket i væksthuse under et kontrolleret miljø. Derfor er der mange parametre både abiotiske og biotiske, der kan være til stede i marken og påvirke den observerede effekt, som ikke blev inkluderet i dette forsøg. Virkninger fra nogle af disse parametre ville muligvis medfører en anden effekt end det der blev observeret i væksthuset. Altså påvirkes AMS af jordbehandling og gødskning, især langtidsvarigt brug af uorganisk P. Men for at få en bedre forståelse af, om ændring i jordbehandling og gødskning kan være en metode til at udnytte P bedre, er der behov for flere studier i AMS s funktionelle diversitet og kompatibilitet samt flere markforsøg. Konklusion Formålet med projektet var at undersøge, hvordan jordbehandling og gødskning påvirker AMS i jorden, og om ændringer i driftspraksis derigennem kan være med til at optimere fosforudnyttelse i landbruget. I de forsøg der er gennemgået i opgaven, blev det observeret, at jordbehandling og gødskning påvirkede AMS i jorden forskelligt afhængigt af, hvilke strategier der blev brugt. Reduceret eller ingen jordbehandling øgede sporediversiteten og ændrede artssammensætningen i forhold til konventionel jordbehandling. Specifikke AMSindikatorarter blev observeret særligt hyppigt knyttet til de forskellige driftstyper, jordbehandlinger og gødskningsformer. I populationer fra jorder uden jordbehandling blev der observeret større eksternt mycelievækst end i populationer fra konventionel jordbehandling. Endvidere blev det observeret, at langvarig gødskning med uorganisk P resulterede i øget sporedannelsen og reduceret hyfevækst. For at belyse om ændringer i jordbehandling og gødskning kan være med til at optimere fosforudnyttelsen i landbruget, skal der laves flere undersøgelser af enkelte arters og hele populationers funktionalitet i forhold til planters P-optag. Referencer BRADY, N. C. & WEIL, R. R Chapter 12: Nutrient Cycles and Soil Fertility P In: LAWRENSEN, W. (ed.) Elements of the Nature and Properties of Soils 3rd ed. Prentice Hall, One Lake Street, Upper Saddle River, New Jersey, : Pearson Education, Inc. 14

15 BØDKER, L., KJØLLER, R., KRISTENSEN, K. & ROSENDAHL, S Interactions between indigenous arbuscular mycorrhizal fungi and Aphanomyces euteiches in field-grown pea. Mycorrhiza, 12, BØDKER, L., KJØLLER, R. & ROSENDAHL, S Effect of phosphate and the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus intraradices on disease severity of root rot of peas (Pisum sativum) caused by Aphanomyces euteiches. Mycorrhiza, 8, CAVAGNARO, T. R., SMITH, F. A., SMITH, S. E. & JAKOBSEN, I Functional diversity in arbuscular mycorrhizas: exploitation of soil patches with different phosphate enrichment differs among fungal species. Plant Cell and Environment, 28, CORDELL, D., DRANGERT, J.-O. & WHITE, S The story of phosphorus: Global food security and food for thought. Global Environmental Change-Human and Policy Dimensions, 19, ECOSANRES Closing the Loop on Phosphorus. EZAWA, T., SMITH, S. E. & SMITH, F. A P metabolism and transport in AM fungi. Plant and Soil, 244, GIANINAZZI-PEARSON, V., SMITH, S. E., GIANINAZZI, S. & SMITH, F. A ENZYMATIC STUDIES ON THE METABOLISM OF VESICULAR ARBUSCULAR MYCORRHIZAS.5. IS H+-ATPASE A COMPONENT OF ATP- HYDROLYZING ENZYME-ACTIVITIES IN PLANT FUNGUS INTERFACES. New Phytologist, 117, GIANINAZZI, S., GOLLOTTE, A., BINET, M.-N., VAN TUINEN, D., REDECKER, D. & WIPF, D Agroecology: the key role of arbuscular mycorrhizas in ecosystem services. Mycorrhiza, 20, HARRISON, M. J Signaling in the arbuscular mycorrhizal symbiosis. Annual Review of Microbiology. Palo Alto: Annual Reviews. JANSA, J., MOZAFAR, A., ANKEN, T., RUH, R., SANDERS, I. R. & FROSSARD, E Diversity and structure of AMF communities as affected by tillage in a temperate soil. Mycorrhiza, 12, KÖHL, L., OEHL, F. & VAN DER HEIJDEN, M. 2014a. Appendix B: Spore community composition of the different soil inocula determined by morphological AMF spore analysis (Ecological Archives A A2). esapubs.org: Ecological Society of America. KÖHL, L., OEHL, F. & VAN DER HEIJDEN, M. G. A. 2014b. Agricultural practices indirectly influence plant productivity and ecosystem services through effects on soil biota. Ecological Applications, 24, LARSEN, J. & BØDKER, L Interactions between pea root-inhabiting fungi examined using signature fatty acids. New Phytologist, 149, MUNKVOLD, L., KJOLLER, R., VESTBERG, M., ROSENDAHL, S. & JAKOBSEN, I High functional diversity within species of arbuscular mycorrhizal fungi. New Phytologist, 164, OEHL, F., LACZKO, E., BOGENRIEDER, A., STAHR, K., BOSCH, R., VAN DER HEIJDEN, M. & SIEVERDING, E Soil type and land use intensity determine the composition of arbuscular mycorrhizal fungal communities. Soil Biology & Biochemistry, 42, OEHL, F., SIEVERDING, E., INEICHEN, K., MADER, P., BOLLER, T. & WIEMKEN, A Impact of land use intensity on the species diversity of arbuscular mycorrhizal fungi in agroecosystems of Central Europe. Applied and Environmental Microbiology, 69, RAVNSKOV, S. & JAKOBSEN, I FUNCTIONAL COMPATIBILITY IN ARBUSCULAR MYCORRHIZAS MEASURED AS HYPHAL P TRANSPORT TO THE PLANT. New Phytologist, 129, RAVNSKOV, S. & LARSEN, J Mykorrhiza i Økologisk Planteproduktion. Økologisk Planteavlsberetning 2007, REDECKER, D., KODNER, R. & GRAHAM, L. E Glomalean fungi from the Ordovician. Science, 289, ROSEMARIN, A The Precarious Geopolitics of Phosphorous. Science and Environment: Down to Earth Fortnigthly, SHENG, M., LALANDE, R., HAMEL, C. & ZIADI, N Effect of long-term tillage and mineral phosphorus fertilization on arbuscular mycorrhizal fungi in a humid continental zone of Eastern Canada. Plant and Soil, 369,

16 SMIL, V Phosphorus in the environment: Natural flows and human interferences. Annual Review of Energy and the Environment, 25, SMITH, S. E. & READ, D. J Mycorrhizal Symbiosis, 525 B Street, Suite 1900, San Diego, California , USA, Academic Press, Inc. SMITH, S. E. & SMITH, F. A Roles of Arbuscular Mycorrhizas in Plant Nutrition and Growth: New Paradigms from Cellular to Ecosystem Scales. In: MERCHANT, S. S., BRIGGS, W. R. & ORT, D. (eds.) Annual Review of Plant Biology, Vol 62. SOLAIMAN, M. Z. & SAITO, A Phosphate efflux from intraradical hyphae of Gigaspora margarita in vitro and its implication for phosphorus translocation. New Phytologist, 151, SÄLE, V., AGUILERA, P., LACZKO, E., MADER, P., BERNER, A., ZIHLMANN, U., VAN DER HEIJDEN, M. G. A. & OEHL, F Impact of conservation tillage and organic farming on the diversity of arbuscular mycorrhizal fungi. Soil Biology & Biochemistry, 84, THYGESEN, K., LARSEN, J. & BODKER, L Arbuscular mycorrhizal fungi reduce development of pea root-rot caused by Aphanomyces euteiches using oospores as pathogen inoculum. European Journal of Plant Pathology, 110, VIERECK, N., HANSEN, P. E. & JAKOBSEN, I Phosphate pool dynamics in the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus intraradices studied by in vivo P-31 NMR spectroscopy. New Phytologist, 162,