Kurzfassung Band 79

Simon, M. (2020): Apple replant disease (ARD): Relations to abiotic soil properties at different spatial scales. 159 S.

Kurzfassung
Die Apfel-Nachbaukrankheit (ARD) äußert sich in Symptomen wie einer starken Verringerung des Pflanzenwachstums, geringeren Fruchterträgen und -qualität, wodurch die weltweite Produktion in Baumschulen und Apfelplantagen beeinträchtigt wird. Die Ätiologie der ARD wird häufig auf komplexe Pathogeninteraktionen zurückgeführt; der Intensität der ARD-Symptome ist jedoch heterogen verteilt. Außerdem können diese Symptome nach wiederholten Neupflanzungen junger Apfelbäume an einem bestimmten Standort mehr als 30 Jahre lang bestehen bleiben. Ich stellte daher die Hypothese auf, dass das Auftreten von ARD zusätzlich mit abiotischen Bodeneigenschaften zusammenhängen könnte. Um diese Hypothese zu überprüfen, betrachtete ich Veränderungen der physikalischen Bodeneigenschaften und der Nährstoffversorgung, hauptsächlich N, innerhalb ARD-infizierter Felder, unter einzelnen ARD-Pflanzen und an deren Wurzeloberflächen auf verschiedenen räumlichen Skalen. Im Einzelnen befasste ich mich mit den folgenden Forschungsfragen: i) Inwieweit geben Bodeneigenschaften Hinweise auf die ARD-Ausprägung an den verschiedenen Versuchsstandorten, ii) wie hängen abiotische Bodeneigenschaften mit der im Feld auftretenden Heterogenität der ARD-Symptome im Feldexperiment zusammen, und iii) inwieweit hängt die ARD mit Veränderungen im N-Kreislauf auf der Einzelpflanzenwurzel- und Rhizosphären-Skala zusammen?

Zur Beantwortung dieser Fragen wurde ein Feldexperiment mit drei ARD-infizierten Referenzstandorten im Norden Deutschlands durchgeführt, wobei die Standorte unterschiedliche Bodentexturen aufweisen: Sand, lehmiger Sand und schluffiger Lehm (Podsols bis Luvisols). Ziel (i) wurde durch die Bodenkartierung mit konventionellen Analysen (Textur, pH-Wert, SOC und Gesamt-N) und nicht-invasiven Sensortechniken, wie elektromagnetische Induktion und Gamma Spektrometrie untersucht. Um Frage zwei zu beantworten, (ii) habe ich die Apfelbäume nach der Sprosslänge in so genannte Bonitur Klassen mit unterschiedlicher ARD-Intensität eingeteilt. Physikalische und chemische Bodeneigenschaften wurden sowohl in der Rhizosphäre als auch im umgebenen Boden untersucht. Ein Gewächshausversuch mit 15N-Düngermittelausbringung wurde durchgeführt, um die dritte Frage zu beantworten iii). Die Ergebnisse zeigten, dass (i) eine signifikante Heterogenität der Bodeneigenschaften (Textur, pH-Wert, SOC und Gesamt-N) zwischen den drei Referenzstandorten auftrat. Zwischen diesen Standorten fand ich eine negative Korrelation zwischen der ARD-Intensität und dem Bodentongehalt (r = - 0,71; p < 0,05) und eine positive Korrelation mit dem C/N-Verhältnis (r = 0,73; p < 0,05). Innerhalb der Parzellen deutete die nicht-invasive Bodenmessung (EMI, Gamma Spektrometrie) auf homogene Bedingungen hin. Die Variationen der ARD-Intensität werden also nicht durch die Bodenheterogenität auf der Parzellenskala im Bereich von Metern gesteuert. Um weitere Einblicke in die Auswirkungen des Bodens auf die Leistung der Einzelpflanzen zu erhalten, zeigte die erneute Beprobung des Standorts, dass (ii) auf Einzelpflanzenskala die am stärksten infizierten Apfelpflanzen (bis zu 100 cm Sprosslänge) mit einer Abnahme der Mikronährstoffvorräte (signifikant für Mn und Co; r = 0,95 für beide Elemente; p < 0,05) und niedrigeren δ15N-Werte einhergingen. Dies deutet darauf hin, dass eine verringerte Mikronährstoffzufuhr und ein verringerter N-Kreislauf mit der Variabilität der ARD-Intensität im Feld korreliert ist. Im Gewächshaus konnte iii) eine starke Wachstumsdepression im ARD-Boden bestätigt werden, die jedoch nicht bei den anderen Varianten der Bodenbehandlungen beobachtet werden konnte. Diese Wachstumsdepressionen waren mit einer geringeren Makroaggregation und einem reduzierten N-Gehalt in diesen Makroaggregaten assoziiert; es wurden jedoch keine konsistenten Unterschiede in der N-Düngeraufnahme im Boden oder in mikrobiellen Rückständen gefunden. Daher konnte ich keine schlüssigen Beweise für einen gestörten N-Kreislauf in ARD-infizierten Böden liefern.

Zusammenfassend konnte ich zeigen, dass abiotische Faktoren die ARD-Ausprägung unterstützen, dadurch, dass sie möglicherweise an biotischen Prozessen beteiligt sind, die unter Umständen Auswirkungen auf den Mikronährstoffbedarf und die Habitat Eigenschaften pathogener Bodenmikrobiota besitzen. Allerdings muss ich die Hypothese widerlegen, dass die ARD-Symptome in kausalem Zusammenhang mit einem verminderten Boden-N-Kreislauf oder anderen Makronährstoffverfügbarkeiten stehen.

Abstract Band 79

Simon, M. (2020): Apple replant disease (ARD): Relations to abiotic soil properties at different spatial scales. 159 S.

Abstract

Apple replant disease (ARD) manifests in symptoms like severe plant growth reduction and lower fruit yields and quality, impairing worldwide production in tree nurseries and apple orchards. The etiology of ARD is commonly attributed to complex pathogen interactions; however, the severity of ARD symptoms are heterogeneously distributed. Besides, they may reside for more than 30 years after repeatedly replanting young apple trees at a particular site. I hypothesized, therefore, that ARD prevalence might additionally be related to abiotic soil properties. To test this hypothesis, I worked on different spatial scales, and considered changes in physical soil properties and nutrient supply, here mainly N, within ARD infected fields, below single ARD plant, and at their root surfaces. In detail, I addressed the following research questions i) to which degree do soil properties provide indications of ARD expression at different sites, ii) how do abiotic soil properties relate to the in-field heterogeneity of ARD symptoms at a particular field experiment, and iii) to which degree is ARD related to alterations in N-cycling at the single-plant root and rhizosphere scale?

To answer these questions, a field experiment with three ARD infected reference sites, representing different textures from sand, loamy sand, to silt loam (Podzols to Luvisols), was established in landscapes of Northern Germany. Objective (i) was investigated by soil mapping using conventional analyses (texture, pH, SOC, and total N) and non-invasive sensor techniques, such as electromagnetic induction and gamma spectrometry. To answer question two, (ii) I classified apple tress by shoot length into so-called bonitur-classes of different ARD severity. Physical and chemical soil properties were investigated both in the rhizosphere and in bulk soil. A greenhouse trial including 15N-fertilizer applications was conducted to test the third objective (iii). The results showed that (i) significant heterogeneity of soil properties (texture, pH, SOC, and total N) occurred between the three reference sites. Between these sites I found a negative correlation between ARD intensity and soil clay content (r = - 0.71; p < 0.05), and a positive correlation with C/N ratio (r = 0.73; p < 0.05). Within plots, non-invasive soil sensing (EMI, gamma-spectrometry) indicated homogeneous conditions. Variations in ARD severity are thus not regulated by plot-scale soil heterogeneity at a meter resolution. To get further insight into effects of soil on single plant performance, the resampling of site indicated that (ii) at single plant scale most infected apple plants (up to 100 cm shoot length) went along with a depletion of micronutrient stocks (significant for Mn and Co; r = 0.95 for both elements; p < 0.05) and that most stunted shoot growth revealed lowest δ15N values. Thus, I suggested that a reduced micronutrient supply and N cycling is correlated to the in-field variability of ARD severity. In the greenhouse, iii) strong growth depression in the ARD soil could be confirmed but not in the other treatments. The growth depressions were associated with less macro-aggregation and a reduced N content in these macroaggregates; however, no consistent differences in N fertilizer uptake to bulk soil or microbial residues were found. Hence, I could not provide any conclusive evidence for a disturbed N turnover in ARD infected soil.

In summary, I could show that abiotic factors accompany ARD expression indicating that they might be co-involved in biotic processes, possibly via effects on micronutrient demands and habitat properties of pathogenic soil microbiota. I have to refute the hypothesis, though, that ARD symptoms are causally related to reduced soil N cycling or other macronutrient availabilities.