Synergistic effects of microbial and animal decomposers on plant and herbivore performance

Decomposers drive essential ecosystem functions, such as organic matter turnover and nutrient cycling, thereby functioning as key determinants of soil fertility and nutrient uptake by plants. However, knowledge of interacting effects of functional dissimilar decomposer groups, such as microorganisms and animals, on aboveground functions is scarce.We set up a microcosm experiment to investigate single and combined effects of microbial (the fungus Fusarium graminearum) and animal decomposers (the earthworm Aporrectodea caliginosa) on the performance of winter wheat (Triticum aestivum) and aphids (Rhopalosiphum padi) in a full factorial design. We tested the shape of response of every variable in order to explore if interacting impacts of decomposers are under-additive (logarithmic fit), additive (linear fit) or over-additive (quadratic and exponential fit).Both microbial and animal decomposers increased the majority of the studied plant and herbivore performance parameters. While decomposers had additive effects on five plant performance variables they had over-additive effects on seven plant variables and three herbivore variables.The dominance of over-additive effects suggests positive interactions between microbial and animal decomposers. Facilitation in the decomposition process most likely synergistically increased nutrient supply for plants and food availability and quality for aphids.The present study indicates that functionally dissimilar decomposer groups of different kingdoms synergistically impact plant performance. Further, these beneficial effects propagated to herbivores suggesting that belowground functional diversity and positive interactions alter essential aboveground ecosystem functions over several trophic levels.

ZusammenfassungZersetzer steuern wichtige Ökosystemfunktionen wie beispielsweise den Streuabbau und Nährstoffkreisläufe und fungieren dabei als Determinanten für die Fruchtbarkeit des Bodens und die Nährstoffaufnahme durch Pflanzen. Trotzdem weiß man über die interaktiven Effekte von funktionell unterschiedlichen Zersetzern bisher nur sehr wenig.Wir untersuchten die singulären und kombinierten Effekte von mikrobiellen (der Pilzart Fusarium graminearum) und tierischen Zersetzern (der Regenwurmart Aporrectodea caliginosa) auf die Entwicklung von Winterweizen (Triticum aestivum) und die Reproduktion von Blattläusen (Rhopalosiphum padi) in einem Gewächshausexperiment. Wir analysierten die Form des Zusammenhangs zwischen jeder Antwortvariablen und der Anzahl an Zersetzern, um herauszufinden, ob die Effekte unteradditiv (logarithmischer Zusammenhang), additiv (linearer Zusammenhang) oder überadditiv (quadratischer oder exponentieller Zusammenhang) sind.Mikrobielle und tierische Zersetzer erhöhten die Mehrzahl der Entwicklungsparameter von Winterweizen und Blattläusen. Sie zeigten additive Effekte auf fünf Pflanzenvariablen und überadditive Effekte auf sieben Pflanzenvariablen sowie drei Herbivorenvariablen.Die Dominanz überadditiver Effekte deutet auf eine positive Interaktion zwischen mikrobiellen und tierischen Zersetzern hin. Dabei erhöhte wahrscheinlich die Förderung im Zersetzungsprozess in synergistischer Weise die Nährstoffversorgung der Pflanzen und die Nahrungsverfügbarkeit und -qualität für die Blattläuse.Dies Ergebnisse deuten auf synergistische Effekte von funktionell unterschiedlichen Zersetzergruppen aus verschiedenen Reichen auf die Entwicklung von Pflanzen hin. Darüber hinaus waren diese positiven Zersetzereffekte auch bei der Entwicklung von Herbivoren sichtbar, was die Vermutung nahe legt, dass funktionelle Diversität von Zersetzern und deren positive Interaktion oberirdische Ökosystemfunktionen über mehrere trophische Ebenen hinweg beeinflusst.