The role of soil properties and fertilization management in pathogen defense and plant microbial interactions in the rhizosphere of lettuce (Lactuca sativa L.)

Abstract

Soil microorganisms are involved in nearly all relevant soil processes and considered as key players in agro-ecosystems. This is particularly relevant for the rhizosphere which is created by the activity of plant roots with dynamic impact on microbial communities, their diversity and activity. Both, beneficial but also pathogenic plant-microbial interactions in the rhizosphere are driven by root exudates and other root-induced modifications in rhizosphere chemistry, which are highly variable in space, time, composition and intensity. The physicochemical properties of the rhizosphere are influenced by numerous external factors including nutrient availability, biotic and abiotic stress, soil properties or plant genotypic variation but the related consequences for plant-microbial interactions and the consequences for plant performance and health status are still poorly understood. In this context the present study was initiated to investigate (i) the influence of the soil type on root exudation and the composition of the rhizosphere solution (ii) their impact on interactions with soil pathogens and beneficial rhizosphere microorganisms and (iii) the effect of long-term fertilization strategies (organic vs. mineral fertilization), using lettuce (Lactuca sativa) as a well-characterized model plant for studies on plant-microbial interactions in the rhizosphere.

Bodenmikroorganismen sind an nahezu allen relevanten Bodenprozessen beteiligt und spielen daher eine Schlüsselrolle in Agrarökosystemen. Das betrifft besonders die Rhizosphäre, die durch die Aktivität von Pflanzenwurzeln mit ihrem dynamischen Einfluss auf mikrobielle Gemeinschaften im Boden, deren Diversität und deren Aktivität, gebildet wird. Sowohl nützliche als auch pathogene Interaktionen von Mikroorganismen mit ihren Wirtspflanzen werden durch Wurzelexsudate und andere wurzelinduzierte Modifikationen der Rhizosphärenchemie bestimmt, die durch eine hohe Variabilität im Hinblick auf Zusammensetzung und Intensität sowohl auf räumlicher als auch auf zeitlicher Ebene charakterisiert sind. Die physiko-chemischen Eigenschaften der Rhizosphäre werden von zahlreichen externen Faktoren beeinflusst, wie z.B. Nährstoffverfügbarkeit, biotischem und abiotischem Stress, Bodeneigenschaften oder pflanzengenotypischer Variabilität. Allerdings sind die dadurch bedingten Konsequenzen für Pflanzen-Mikroben-Interaktionen und die Auswirkungen auf die Ertragsbildung und die Pflanzengesundheit bisher nur ansatzweise verstanden. In diesem Zusammenhang wurde die vorliegende Studie durchgeführt, um (i) den Einfluss von Bodeneigenschaften auf die Wurzelexsudation und die Zusammensetzung der Rhizosphärenbodenlösung, (ii) deren Einfluss auf Interaktionen mit Bodenpathogenen und mit nützlichen Rhizosphärenmikroorganismen und (iii) den Effekt von Langzeitdüngungsstrategien (organische vs. mineralische Düngung) mit Salat (Lactuca sativa L.) als gut charakterisierte Modellpflanze für Pflanzen-Mikroben-Interaktionen in der Rhizosphäre zu untersuchen.