Heredity of zinc tolerance in Suillus luteus and impact of metal pollution on ectomycorrhizal fungal communities

Abstract

Verhoogde concentraties aan zware metalen in bodems, zoals zink en cadmium, zijn toxisch voor de meeste organismen. Vele organismen kunnen dan ook niet overleven in bodems verontreinigd met zware metalen. In enkele zeldzame gevallen zorgt deze selectiedruk voor evolutionaire aanpassingen aan metaalhomeostase mechanismen. Dit fenomeen is goed bestudeerd voor planten, maar slechts weinig is geweten over adaptieve metaaltolerantie bij schimmelsoorten die in associatie met deze planten leven. In hoofdstuk twee wordt een genetische studie gepresenteerd met als doel een beter inzicht te krijgen in de genetische structuur van zinktolerantie bij Suillus luteus. In deze studie werden verschillende zinktolerantie fenotypes waargenomen in dikaryote ouderlijke stammen, in monokaryote nakomelingen van deze stammen en in kruisingen tussen monokaryote nakomelingen. Op basis van deze fenotypes werd geconcludeerd dat zinktolerantie in S. luteus wordt overgedragen door onvolledige dominantie. Enkele mogelijke modellen die de genetische architectuur van zinktolerantie in S. luteus kunnen verklaren, werden in deze studie getest en werden besproken in hoofdstuk twee. Verder heeft een door metalen-geïnduceerde selectiedruk tot gevolg dat populaties van gevoelige organismen plaats zullen ruimen voor meer resistente soorten of soorten die adaptieve metaaltolerantie hebben ontwikkeld. Hierdoor zullen op de meest verontreinigde bodems zich slechts een beperkt aantal soorten kunnen vestigen, waardoor specifieke gemeenschappen ontstaan. Zulke metaal-specifieke gemeenschappen zijn ook sinds lange tijd bekend in het plantenrijk. Met deze plantengemeenschappen zijn vermoedelijk ook specifieke schimmelgemeenschappen geassocieerd. Hiernaar is echter aanzienlijk minder onderzoek verricht in het verleden omdat het bestuderen van (hoofdzakelijk) ondergrondse schimmelgemeenschappen veel moeilijker is dan het bestuderen van plantengemeenschappen. Echter, recente ontwikkelingen in moleculaire biologie hebben gedetailleerde beschrijvingen van schimmelgemeenschappen mogelijk gemaakt. In het derde hoofdstuk wordt een technische studie gepresenteerd waarin het optimaliseren van de vereiste moleculaire technieken voor het bestuderen van ondergrondse schimmelgemeenschappen als doel werd gesteld. De amplificatie-eigenschappen van de primers die het best presteerden in deze verkennende studie werden getest en vergeleken met andere primers die courant worden gebruikt voor het bestuderen van schimmelgemeenschappen. In hoofdstuk vier worden de in hoofdstuk drie geoptimaliseerde technieken gebruikt voor het bestuderen van schimmelgemeenschappen in de bodem van een pioniersdennenbos in een met zink en cadmium vervuild studiegebied. Naast het karakteriseren van de schimmelgemeenschappen aanwezig in dit vervuilde gebied, werd ook de invloed van metaalverontreiniging op de diversiteit en structuur van de schimmelgemeenschapen bestudeerd. Hoewel duidelijke correlaties tussen de concentraties aan zware metalen en de samenstelling van schimmelgemeenschappen werden waargenomen, werden geen consistente effecten vastgesteld op de schimmeldiversiteit. De aanwezigheid van de meest dominante soorten in dit studiegebied werd besproken. In het vijfde hoofdstuk wordt een studie gepresenteerd waarin de schimmelgemeenschappen die voorkomen in vervuild gebied werden vergeleken met schimmelgemeenschappen in een controlegebied, eveneens in pioniersdennenbos. De soortensamenstellingen van de schimmelgemeenschappen in beide studiegebieden kwamen grotendeels overeen, maar de relatieve abundanties duidden op een verschuiving in de dominantie van aanwezige soorten. Opnieuw werden geen effecten van gemeten omgevingsfactoren op de schimmeldiversiteit vastgesteld. Veranderingen in de relatieve abundanties van aanwezige schimmels over verschillende jaren, duidden bovendien op dynamische ecosystemen in de bestudeerde pioniersbossen. Een opvallende dynamiek is de verdringing van ascomyceet fungi door basidiomyceet fungi in de ectomycorrhizatips van Pinus in de aanplanting op verontreinigde bodem. Mogelijk heeft het dynamische karakter van deze ecosystemen een belangrijke rol gespeeld in het ontstaan van metaaltolerante schimmels zoals S. luteus. Ten slotte worden in het zesde en laatste hoofdstuk de meest belangrijke bevindingen van de vier studies die tijdens dit project werden uitgevoerd samengevat en bediscussieerd. Ook worden perspectieven geboden waarop toekomstige studies zich zouden kunnen toespitsen.

High concentrations of heavy metals in soils, such as zinc and cadmium, are toxic to most organisms. Many organisms are unable to survive in metal-polluted soils. In rare occasions, this selection pressure may cause evolutionary adaptations in the metal homeostasis mechanisms of organisms exposed to increased concentrations of heavy metals. This phenomenon is well studied for plants, but only limited information is available on adaptive metal tolerance in symbiotic fungi that live together with these plants. In chapter two, a genetics study is presented aiming to provide insight in the genetic architecture of zinc tolerance in Suillus luteus. In this study, contrasting zinc tolerance phenotypes were observed in dikaryotic, parental strains, in monokaryotic offspring of these strains and in crosses between monokaryotic strains. Based on these phenotypes, it was concluded that zinc tolerance in S. luteus is inherited through incomplete dominance. Some potential models for the genetic architecture of zinc tolerance in S. luteus were tested and are discussed in chapter two. Furthermore, metal-induced selection pressure may cause populations of sensitive organisms to collapse, leaving only adapted species. Hence, on most polluted sites, only a limited number of organisms may thrive, giving rise to unique communities. Such (pseudo-)metallophyte plant associations have been studied extensively in the past. However, also specific fungal communities are likely to be associated with these plant communities. Nevertheless, much less research has been conducted on these fungal communities in the past, since studying (mainly) belowground fungal communities is more difficult than studying plant communities. Recent developments in molecular biology, however, enabled detailed identification of fungal communities. In the third chapter, a technical study is presented aiming to optimize the required molecular tools for studying belowground fungal communities. The amplification-efficiencies of the primers that were found to be the most efficient in amplifying a broad range of fungal taxa were compared to other primers that are frequently used to study fungal communities. In chapter four, the optimized techniques described in chapter three were used to study fungal communities in soils of pioneer pine forests thriving on a zinc and cadmium polluted site. Beside characterizing the fungal communities in this study site, also the influence of metal pollution on fungal diversity and fungal community structures were analysed. Whereas clear correlations were found between fungal community compositions and metal concentrations, no consistent effects on fungal diversity were detected. The presence of the most dominant species in this site were discussed. In the fifth chapter, a study is presented in which the fungal communities in a metal polluted site were compared to fungal communities in a control site, both associated with a pioneer pine forest. The species composition of the fungal communities in both sites was very similar. However, the relative abundances of these species indicated a dominance shift. Striking community dynamics in which basidiomycetes replaced ascomycetes in the ectomycorrhizal root tips of pine trees were observed. Again, no effects of measured environmental factors on fungal diversity were observed. Moreover, changes in the relative abundances of present species indicated that the studied pioneer ecosystems are very dynamic. The dynamics of these pioneer ecosystems potentially played an important role in the evolution of metal-tolerant fungi such as S. luteus. Finally, in the sixth, and last chapter, the most important conclusions of the current project were summarized and discussed and perspectives for future studies are given.