The effects of intraspecific functional diversity on plant-herbivore-microbe interactions in white clover (Trifolium repens L.)

Short summary:

Variation in plant functional traits drives processes that modify biotic interactions. This underscores the importance of intraspecific functional diversity on community dynamics. The main knowledge gap on the ecological effects of plant genetic diversity is to which extent it can modulate plant interactions and the underlying molecular mechanisms. Our study aimed to examine the impact of plant intraspecific variation in chemical traits on plant-herbivore-microbe interactions. In particular, we wanted to quantify how above- and belowground interactions are altered by the level of intraspecific diversity. Four white clover genotypes were selected according to the production of metabolites involved in herbivore defense and belowground symbioses: The production of (1) hydrogen cyanide (HCN) by hydrolysis of cyanogenic glycosides following tissue damage, and (2) flavonoids. Genotypes that either produce HCN or not and with high or low leaf flavonoid content served to establish population types that were genetically diverse or diverse on the trait level. Genotypes were grown in genotypic monocultures, trait monocultures, and trait mixtures. In two separate experiments, each population was exposed to (1) an aboveground and/or a belowground feeding insect herbivore and (2) two root symbionts, rhizobia and arbuscular mycorrhiza. Population type affected aboveground biomass production. Populations that were diverse in their trait composition had higher total biomass on plot level in the aboveground herbivory treatment. The chemical diversity of the populations affected biomass production when plots were inoculated with rhizobium only. Our results demonstrate that intraspecific trait diversity can alter the response in plant growth according to location and type of interaction.

Promotionsvorhaben:

Das Verständnis der Mechanismen, durch welche Pflanzen mit ihrer biotischen Umwelt interagieren, ist maßgeblich für den Erhalt wichtiger Ökosystemprozesse und als Folge zunehmender Umweltveränderungen ein stetig an Bedeutung gewinnendes Teilgebiet der Ökologie. Aus dem drastisch fortschreitenden Rückgang der Biodiversität ergeben sich Konsequenzen von globaler ökologischer Relevanz. Durch komplexe Rückkopplungsmechanismen führen die, aus dieser negativen Tendenz resultierenden Probleme, wie z. B. der Rückgang der pflanzlichen Biomasseproduktion, zur Störung zahlreicher Interaktionen zwischen Organismengruppen. Dabei sind jene wechselseitigen Beziehungen Voraussetzung für eine Vielzahl von Ökosystemfunktionen, die wiederum direkte Folgen von agrarökologischer Bedeutung haben.

Pflanzen nehmen in dem funktionalen Netzwerk, durch welche Arten miteinander verbunden sind, eine zentrale Rolle als Nahrungs- und Lebensgrundlage für zahlreiche Organismen ein. In den letzten Jahrzehnten rückten ökologische Studien vorrangig die Bedeutung des Erhaltes von artenreichen Pflanzengesellschaften für vielfältige Ökosystemprozesse und -dienstleistungen in den Vordergrund. Jüngere Studien weisen jedoch auf eine zusätzliche Bedeutung pflanzlicher interspezifischer Variation für  Prozesse auf dem Level der Population, der Gesellschaft und des Ökosystems hin. Das Verständnis der komplexen Mechanismen hinter diesen direkten und indirekten Effekten stellt gegenwärtig eine fundamentale Herausforderung in der Biodiversitätsforschung dar.

Chemische Verbindungen wie Hydrogencyanid (auch Blausäure) und Vertreter der Flavonoide maßgeblich an der Interaktionen von Pflanzen mit Fraßfeinden und Bodenmikroorganismen beteiligt. Die von solchen sekundären Pflanzenstoffen determinierten pflanzlichen Verteidigungsmechanismen stellen somit wichtige funktionelle Merkmale dar (Abb. 1).  In diesem Funktionsnetz können weiterhin unter- und oberirdische Organismen durch die chemische Konstitution der Pflanze indirekt miteinander kommunizieren.

Die detaillierte Betrachtung der Mechanismen, durch welche genetische Diversität unter- und oberirdische Interaktionen beeinflusst, ist folglich von entscheidender Bedeutung für den Erhalt wichtiger Ökosystemfunktionen. Aufgrund der bereits lange bestehenden Wissenslücke hinsichtlich dieses wichtigen Aspektes innerhalb der Biodiversitätsforschung soll im Rahmen meiner Studie die Bedeutung pflanzengenetischer Diversität für die Interaktion mit ober- und unterirdischen Organismen sowie für die Verknüpfung beider Subsysteme untersucht werden (Abb. 1).

Hierfür werden in drei Teilexperimenten die Effekte intraspezifischer Variation in zwei chemischen funktionellen Merkmalen (Produktion von Hydrogencyanid und Flavonoiden) auf die pflanzliche Fitness, das Pflanzenmetabolom und die Interaktion mit unter- und oberirdischen Organismen getestet. Neben der Berücksichtigung natürlicher Organismengesellschaften in einem Feldversuch werden in Gewächshausexperimenten unterschiedliche Fraßfeinde und Symbionten genutzt (Abb. 1). Dabei erfolgt die Betrachtung der umfassenden mechanistischen Hintergründe anhand der Modellart Weißkle (Trifolium repens L.), ein global weitverbreiteter Vertreter der Hülsenfrüchtler (Leguminosen). Die Manipulation des Grades der genetischen Diversität in Weißkleepopulationen soll damit grundlegende Erkenntnisse zur Bedeutung genetischer Diversität in Nutzpflanzengesellschaften liefern.