title: Multitrophische Interaktionen bei der Eiche
title: Multitrophic interactions in oak
title: Multitrophic interactions in oak
Creators: name: Bacht, Michael
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Interaktion
RNS , Stieleiche
oak
Schwammspinner
interaction
Transkriptom
springtails
Herbivorie
Springschwänze , Mykorrhiza
Mycorrhiza , herbivory
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie

description: Several studies, including the
      present dissertation, have illustrated the ecological
      importance of trophic interactions between species. Centred
      on a plants point of view, this includes defense responses,
      nutrient supply supported by symbionts and decomposers, as
      well as interacting effects linking different kinds of
      interaction. Due to the complexity of natural habitats, a
      suitable way for studying trophic interactions in a
      multi-factorial way was of urgent need. The second chapter is
      devoted to the construction of a reliable reference data base
      for large scale gene expression analysis. The
      OakContigDF159.1 provides a reliable reference to study gene
      expression patterns, e.g. triggered by different trophic or
      multitrophic interactions. In order to provide a reliable
      reference which covers the largest possible number of gene
      transcripts, we treated micropropagated cuttings of the
      pedunculate oak (Quercus robur) with seven different
      interacting species plus control treatment. These
      microcuttings had to cope with an ectomycorrhizal fungus
      (Piloderma croceum), a leaf herbivore (Lymantria dispar), a
      Collembolan species (Protaphorura armata), a leaf pathogen
      (Microsphaera alphitoides), a root feeding nematode
      (Pratylenchus penetrans), a root pathogen (Phytophthora
      quercina) and a mycorrhiza helper bacterium (Streptomyces AcH
      505) in experiments under controlled laboratory conditions.
      After an initial normalisation of RNA templates, sequencing
      using the two architectures, 454 pyrosequencing and Illumina
      sequencing took place. Further, we used the Mimicking
      Intelligent Read Assembly (MIRA) and the Trinity assembler,
      to construct the OakContigDF159.1 hybrid assembly, containing
      65,712 contigs with a mean length of 1003 bp. Illumina
      constructed cDNA libraries were used to examine gene
      expression induced by mycorrhiza formation. After aligning
      the cDNA libraries of fine roots against the reference, reads
      were quantified by RSEM, differences in gene expression was
      measured in R, revealing 3018 differentially expressed
      contigs, of which 1399 were up-regulated and 1619
      down-regulated in oak EMs with P .croceum. Our data support
      and confirm the view that gene families are precisely
      regulated to adjust the plants metabolism to mycorrhizal
      symbiosis, rather than by expression of symbiosis-specific
      genes. Furthermore, our findings of e.g. down-regulated
      chitinases confirmes that defense-related genes are
      attenuated in mature mycorrizal symbiosis. taking account to
      the mycorrhizal symbiosis, the expression of a SWEET1 glucose
      transporter could indicate a direct export of hexose into the
      plant apoplast to support the fungus and may suggest the
      existence of a complementary sugar exchange mechanism in
      mycorrhizal symbiosis in oak. As mycorrhizal fungi and
      herbivores interactively influence the growth, resource
      utilization, and defense of plants, the third chapter shall
      provide a deeper insight in actual gene expression changes
      and metabolic adjustments of oak facing herbivory in a system
      including mycorrhizal fungi. Again, microcuttings of the
      Quercus robur clone DF159 served as a experimental platform
      for a full factorial experiment. In order to examine the
      separate and combined effects of a mycorrhizal fungus and a
      leaf chewing caterpillar on oak, I analysed changes in gene
      expression and nutrient allocation patterns on a total of 71
      13C and 15N labelled microcuttings, of which 35 were in root
      flush and 36 in shoot flush. First, I extracted total RNA
      templates of pooled samples which were further used to
      produce 100-bp paired-end libraries and sequenced using an
      Illumina HiSeq 2000. After alignment against the reference
      transcriptome OakContigDF159.1, significance of differences
      in gene expression was measured via pairwise comparisons
      between contigs of control vs. herbivory, control vs.
      inoculation with P. croceum, control vs.
      inoculation/herbivory, separately for plants in root flush
      and for plants in shoot flush. Furthermore, I analysed
      changes in nutrient incorporation using calculated
      differences of 13C and 15N excess over unlabelled control
      plants. Significance of effects was tested using a three-way
      ANOVA. I found an increased expression of genes related to
      compensatory growth and direct defense in oaks in root flush,
      an effect that was attenuated in presence of P. croceum.
      Further was the expression of genes related to the production
      of VOC increased in oak inoculated with P. croceum and
      exposed to L. dispar. I found diverse effects of the growth
      stage, inoculation and herbivory on the incorporation of
      nutrients. Additionally I found, on the one hand an increased
      incorporation of 13C and 15N in sink leaves of oaks exposed
      to herbivory, on the other hand the incorporation of 13C
      decreased in source leaves of oaks in shoot flush and exposed
      to herbivory. In stems, the incorporation of both, 13C and
      15N was decreased in oak exposed to herbivory, an effect that
      was reversed in inoculated oak exposed to herbivory. Taken
      together, these findings indicate that oaks may switches from
      direct herbivore defense mechanism, including compensatory
      growth, during root flush to the indirect defense mechanism
      of producing chemicals attractive to natural enemies of
      herbivores when the plant benefits from pre-mycorrhizal
      effects. The experiment described in the fourth chapter was
      designed to investigate above-ground and below-ground
      interaction of herbivory, collembola and mycorrhization. I
      used a four-factorial system comprising seedlings of Quercus
      robur, Lymantria dispar, Protaphorura armata and Piloderma
      croceum. Under controlled laboratory conditions I applied a
      13C and 15N labelling prior to the feeding experiment with
      the leaf chewing caterpillars. I found strong pre-mycorrhizal
      effects, reflecting an increased root and shoot biomass but
      also an increased incorporation of currently assimilated
      carbon into the root system. The results showed further, that
      oaks indeed respond sensitively to the studied biological
      interactions, including changes in morphology, C and N
      concentrations and nutrient and carbon allocation to
      different plant fractions. I didn’t found evidence for hyphal
      consumtion of P. aramta and no negative effects of collembola
      presence on performance of oak inoculated with a mycorrhizal
      fungus. Furthermore, I found none of the expected interactive
      effects of above-ground herbivory and below-ground
      collembolan activity. However, this study suggests a strong
      compensatory growth reaction of oak seedlings after exposure
      to leaf chewing caterpillars with a soothing effect of P.
      croceum on this reaction.
description: Mit der vorliegenden Dissertation
      konnte ich die Bedeutung von trophischen Interaktion, als
      Wechselwirkung zwischen Arten darstellen. Betrachtet man dies
      von der Seite der Pflanzen aus, zeigen sich sowohl Effekte
      wie Verteidigungsreaktionen, Änderungen in der
      Nährstoffverteilung innerhalb der Pflanze als auch
      interagierende Effekte. Die Komplexität natürlicher Habitate
      hat es bisher sehr schwierig gemacht solche Interaktionen zu
      untersuchen. Die Möglichkeit ein komplexes System ins Labor
      zu bringen und Untersuchungen unter kontrollierten
      Bedingungen mit mehreren Faktoren durchführen zu können,
      stellt einen großen Vorteil dar und soll im Folgenden näher
      beleuchtet werden. Das erste Kapitel dieser Dissertation ist
      einer allgemeinen Einleitung in das Thema gewidmet. Im
      zweiten Kapitel stelle ich das experimentelle System näher
      vor. Des Weiteren beschreibe ich die Konstruktion der
      verlässlichen Referenzdatenbank OakContigDF159.1, welche das
      Studium von Genexpression auf Gesamttranskriptom-Ebene
      ermöglicht. Damit das Referenztranskriptom eine möglichst
      hohe Anzahl an Transkripten aus dem Genom der Stieleiche
      (Quercus robur) beinhaltet, behandelten wir microcuttings der
      Stieleiche mit insgesamt sieben Arten, welche jeweils eine
      andere Form der trophischen Interaktion mit der Eiche
      eingehen. Zusätzlich einer Kontrolle wurden die microcuttings
      Piloderma croceum, Lymantria dispar, Protaphorura armata,
      Microsphaera alphitoides, Pratylenchus penetrans,
      Phytophthora quercina and Streptomyces AcH 505 ausgesetzt.
      Normalisierung und anschließende Sequenzierung mittels
      Illumina und 454 Pyro-Sequenzierung resultierten, nach
      Nachbereitung mit MIRA und Trinity assembler, in der
      OakContigDF159.1 Datenbank. Im dritten Kapitel untersuche ich
      mit Hilfe der Referenzdatenbank OakContigDF159.1
      differenzielle Genexpression, sowie Änderungen in der
      Nährstoffverteilung. Hierzu habe ich ein multifaktorielles
      Experiment mit Piloderma croceum und Lymantria dispar
      durchgeführt. Die Versuchspflanzen wurden im Vorfeld mit den
      stabilen Isotopen 13C und 15N markiert, um nach der Ernte den
      Isotopen-Überschuss mit einer unmarkierten Kontrolle zu
      vergleichen und mittels einer 3-faktoriellen ANOVA zu
      analysieren. Zusätzlich wurde die Gesamt-RNA extrahiert und
      mittels Illumina sequenziert. Die enhaltenen
      cDNA-Bibliotheken habe ich an die Referenzdatenbank angepasst
      und erhielt so 35 Transcriptome welche ich weiterhin zur
      paarweisen Berechnung von differentieller Genexpression
      verwendete. Pflanzen die mit dem Mykorrhizapilz Piloderma
      croceum inokuliert waren, zeigten starke prämykorrhizale
      Effekte, welche sich z.B. in einer Erhöhung der Biomasse
      zeigten. Herbivorie verursachte von Genen die mit
      kompensatorischem Wachstum in Verbindung stehen, sowie eine
      verstärkte Expression von Primär-Verteidigungs Genen. Dieser
      Effekt wurde durch inokulierung mit P. croceum abgeschwächt.
      Die Expressionsdaten ließen zudem bei inokulierten und
      befressenen Eichen auf eine erhöhte produktion von volativen
      organischen Substanzen schließen, die der Attraktion von
      Fraßfeinden der Herbivoren dienen. Zusätzlich zeigte sich bei
      Pflanzen mit Herbivorenfraß eine erhöhte Aufnahme von 13C and
      15N in junge Blätter, wohingegen sich die Aufnahme von 13C in
      reife Blätter durch Herbivory verringert zeigte. Auf diesen
      Ergebnissen folgerte ich, dass eine Interaktion mit einem
      Ekto-Mykorrhiza Pilz, selbst in einem frühen Stadium der
      Symbiose, deutliche Effekte auf das Abwehrverhalten einer
      Pflanze haben kann. Hier wurde die heftige Abwehrreaktion,
      inkl. kompensatorischen Wachstums, durch den Pilz
      abgeschwächt und sogar verlagert auf Mechanismen der
      sekundären Abwehr. Die Gegenwart des Pilzes scheint eine
      “beruhigende“ Wirkung auf die Pflanze auszuüben. Das vierte
      Kapitel ist der genaueren Untersuchung der ober- und
      unterirdischen Wechselwirkungen der verschieden trophischen
      Partner gewidmet. Hierzu führte ich ein multifaktorielles
      Experiment mit den trophischen Partnern Piloderma croceum,
      Lymantria dispar und Protaphorura armata durch. Auch hier
      fand ich starke prä-mykorrhizale Effekte, sich die in einer
      Erhöhung der Biomasse, analog zu einer erhöhten Einlagerung
      von 13C and 15N in P. croceum inokulierten Eichen zeigten.
      Weiterhin zeigte sich eine Erhöhung der Biomasse bei Eichen
      die L. dispar ausgesetzt waren. Obwohl ich keine Anzeichen
      für eine Interaktion der ober- und unterirdischen
      Interaktoren der Eiche fand, hatten alle Faktoren einzeln
      betrachtet deutlichen Einfluss auf die Nährstoffverteilung.
      Ich konnte keine Hinweise von Hyphenfraß durch Collembolen
      finden, ebenso konnte ich keine negativen Effekte der
      Collembolenpopulation auf inokulierte Eichen feststellen. Im
      Gegenteil zeigte sich eine erhöhte Nährstoffaufnahme, was ich
      als Hinweis auf gesteigerte Nährstoffmineralisierung durch
      die Collembolen deutete.