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Long-term soil warming effects on root tissue and root exudate metabolic profiles and microbial necromass carbon in a temperate mountain forest
Xiaofei Liu
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswiss.): Biologie
Betreuer*in
Wolfgang Wanek
DOI
10.25365/thesis.75986
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-15289.70925.802431-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Klimaerwärmung stellt gemäßigte Wälder vor erhebliche Herausforderungen. Er beeinträchtigt u.a. den Stoffwechsel der Baumwurzeln und verändert die Freisetzung primärer Metaboliten in Wurzelexsudaten, die für das Pflanzenwachstum und die Wechselwirkungen in der Rhizosphäre essenziell sind. Diese Metaboliten reagieren äußerst empfindlich auf Temperaturschwankungen. Diese Erwärmung kann auch das Schicksal von mikrobiellem Nekromasse Kohlenstoff beeinflussen, einem wesentlichen Bestandteil des organischen Kohlenstoffs im Boden von Waldökosystemen. Jedoch sind die vollen Ausmaße und die Auswirkungen dieser Veränderungen noch nicht vollständig verstanden. In unserer Studie untersuchten wir die Auswirkungen einer langfristigen Bodenerwärmung (>14 Jahre, mit einer Temperaturerhöhung von +4 °C) auf das Metabolom von Feinwurzelgewebe und Wurzelexsudaten in einem alten Fichtenwald in Achenkirch, einer gemäßigten Region der österreichischen Alpen. Die Studie umfasste drei Jahreszeiten (Frühling, Sommer und Herbst) über zwei Jahre (2020 und 2021) und nutzte eine Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie-Plattform zur Analyse primärer Metaboliten. Zusätzlich untersuchten wir die Dynamik des mikrobiellen Nekromasse Kohlenstoffs in den Bodenhorizonten von 0-10 cm und 10-20 cm Tiefe. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Bodenerwärmung zu einem erheblichen Anstieg des Gehalts an Aminosäuren (15 %) und Zuckern (21 %) in den Metaboliten des Wurzelgewebes führte, nicht jedoch an organischen Säuren. Dies legt nahe, dass Bäume unter Erwärmungsbedingungen ein gesteigertes Wachstum, eine erhöhte Atmung und eine verbesserte Nährstoffaufnahme aufrechterhalten, ohne den primären Stoffwechsel herunterzufahren. Bemerkenswert war, dass die Veränderungen im Metabolitenprofil nicht durch einzelne Verbindungen, sondern durch eine allgemeine Auf- oder Abregulierung der meisten primären Metaboliten bedingt waren. In Bezug auf die Wurzelexsudate stellten wir fest, dass ihre Raten und Zusammensetzung keine signifikante Reaktion auf die langfristige Bodenerwärmung zeigten, obwohl saisonale Schwankungen offensichtlich waren. Die Zusammensetzung der Wurzelexsudate ließ sich teilweise durch die Bodentemperatur, den Wurzeldurchmesser und die spezifische Wurzellänge vorhersagen, was auf eine komplexe Interaktion zwischen dem Stoffwechsel des Wurzelgewebes und Umweltfaktoren hinweist. Darüber hinaus ergab unsere Studie, dass die Bodenerwärmung zu einem deutlichen Rückgang des mikrobiellen Nekromasse-Kohlenstoffs führte, mit einer Reduktion von 11 % in der oberen Bodenschicht (0-10 cm) und 33 % in der unteren Schicht (10-20 cm). Dieser Rückgang ist in erster Linie auf einen Rückgang der mikrobiellen Biomasse und der mikrobiellen Kohlenstoffnutzungseffizienz zurückzuführen, was durch einen begrenzten Phosphoranteil im Boden verstärkt wird. Zudem erhöhte die Erwärmung die Aktivität bestimmter extrazellulärer Enzyme im Boden, wodurch der Abbau des mikrobiellen Nekromasse-Kohlenstoffs beschleunigt wurde. Diese Ergebnisse weisen auf eine Entkopplung der mikrobiellen Nekromasse-Kohlenstoffbildung und des -abbaus unter Klimaerwärmung hin, was sich möglicherweise auf den organischen Kohlenstoffgehalt im Boden gemäßigter Wälder auswirkt. Insgesamt bietet unsere Forschung entscheidende Einblicke in die komplexen Auswirkungen einer langfristigen Bodenerwärmung auf verschiedene Aspekte des Stoffwechsels von Baumwurzelgewebe und Wurzelexsudaten sowie der Dynamik des mikrobiellen Nekromasse-Kohlenstoffs in gemäßigten Waldökosystemen und hebt die komplexen Reaktionen dieser Systeme auf die Klimaerwärmung hervor.
Abstract
(Englisch)
Climate warming significantly challenges temperate forests, impacting tree root metabolism and altering the release of primary metabolites in root exudates, essential for plant growth and rhizosphere interactions and highly sensitive to temperature variations. This warming may also affect the fate of microbial necromass carbon, a substantial part of soil organic carbon in forest ecosystems, but the full extent and implications of these changes are yet to be completely understood. We conducted a study to explore the effects of long-term soil warming (>14 years, with a temperature increase of +4 °C) on the metabolome of fine root tissues and root exudates in an old spruce forest located in Achenkirch, a temperate region of the Austrian Alps. Covering three seasons (spring, summer, and autumn) across two years (2020 and 2021), this study utilized a liquid chromatography-mass spectrometry platform for primary metabolite analysis. Additionally, we examined the dynamics of microbial necromass carbon in 0-10 cm and 10-20 cm soil layers. We found that soil warming led to a considerable increase in the concentration of amino acids (15%) and sugars (21%) in root tissue metabolites, but not organic acids. This suggests that trees under warming conditions sustain enhanced growth, respiration, and nutrient uptake without down-regulation of primary metabolism. Notably, the changes in primary metabolite profiles were not driven by single compounds but by a general up- or downregulation of most primary metabolites. Regarding root exudates, we observed that their rates and profiles showed no significant response to long-term soil warming, though seasonal variations were evident. Root exudates profiles could be partly predicted by soil temperature, root diameter, and specific root length, indicating a complex interaction between root tissue metabolism and environmental factors. Furthermore, our study revealed that soil warming resulted in a notable decrease in microbial necromass carbon, with reductions of 11% in the upper soil layer (0-10 cm) and 33% in the lower layer (10-20 cm). This reduction is primarily attributed to a decline in microbial biomass carbon and microbial carbon use efficiency, exacerbated by limited soil phosphorus availability. Additionally, warming increased the activity of specific soil extracellular enzymes, accelerating microbial necromass carbon decomposition. These results indicate a decoupling of microbial necromass carbon formation and decomposition under climate warming, potentially impacting soil organic carbon content in temperate forests. Overall, our research provides critical insights into the complex effects of long-term soil warming on different aspects of tree root tissue and root exudates metabolism and microbial necromass carbon dynamics in temperate forest ecosystems, highlighting the intricate responses of these systems to climate warming.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Bodenerwärmung Wurzelstoffwechsel Mikrobielle Nekromasse-Kohlenstoff
Autor*innen
Xiaofei Liu
Haupttitel (Englisch)
Long-term soil warming effects on root tissue and root exudate metabolic profiles and microbial necromass carbon in a temperate mountain forest
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
159 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Frank Hagedorn ,
Andrew Nottingham
Klassifikation
42 Biologie > 42.90 Ökologie. Allgemeines
AC Nummer
AC17206315
Utheses ID
71402
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |