Soil fungal communities in Mediterranean forest soils and their relationships with soil parameters

Abstract

Els boscos tenen un paper fonamental en el manteniment de la biodiversitat mundial i el funcionament dels ecosistemes. Dins dels ecosistemes forestals, els fongs del sòl serveixen com a components vitals, donant forma al cicle de nutrients, el creixement de les plantes i l'estabilitat general de l'ecosistema. Estudis recents han donat llum sobre la importància de les comunitats fúngiques i les seves intricades relacions amb diversos factors, com les propietats fisicoquímiques del sòl, les espècies hoste i els tipus d'hàbitat, dins dels boscos de pi mediterrani. Tot i això, encara se sap poc sobre els impactes que tindrà un canvi climàtic global en la dinàmica de la comunitat de fongs del sòl i en el cicle de nutrients en els ecosistemes de boscos mediterranis propensos a la sequera. L'objectiu principal d'aquesta tesi va ser descriure l'efecte dels canvis a l'estructura del bosc ia les propietats fisicoquímiques del sòl sobre la comunitat fúngica del sòl i la dinàmica del cicle de nutrients. A més, identifiquem el nombre mínim de mostres agrupades necessàries per obtenir una descripció fiable de les comunitats fúngiques en termes de diversitat i composició a tres boscos mediterranis diferents. Aquesta tesi doctoral es va dur a terme a dues zones experimentals. El primer constaba 5 triplets que representaven un bosc mixt de Pinus sylvestris-Quercus robur, i dos boscos monoespecífics de cada espècie, ubicats respectivament al Prepirineu. La segona zona constava de constava de 42 boscos dominats per Pinus nigra pur, Pinus halepensis o Pinus sylvestris o un bosc mixt de Pinus nigra– Pinus halepensis o Pinus nigra–Pinus sylvestris ubicats a la regió prepirinenca de Catalunya, al nord-est d'Espanya, on s'ha registrat un conjunt de parcel·les de seguiment a llarg termini on s'ha registrat fructificació fúngica durant ~20 anys. Utilitzant tècniques moleculars com a seqüenciació d'ADN d'alt rendiment (PacBio RS II, Illumina MiSeq), extracció d'ergosterol i PCR en temps real (qPCR), descrivim la composició fúngica i la dinàmica de la biomassa d'aquests sòls forestals i n'avaluem els efectes de canvis a l'estructura del bosc ia les propietats fisicoquímiques del sòl. Primer, observem que la combinació de tres mostres de sòl a rodals de Pinus i Quercus va proporcionar estimacions de riquesa consistents, mentre que es necessitaven almenys sis mostres en rodals mixtes. D'altra banda, la diversitat ß va disminuir amb l'augment dels grups de mostres a rodals monoespecífics, mentre que no hi va haver efecte de la mida del grup de mostres a rodals mixtes i en la composició d'espècies. Després, observem que al llarg d'un gradient regional als Prepirineus mediterranis, les comunitats fúngiques es van veure afectades 14 principalment per les propietats del sòl, sent el pH, P i la relació C:N els predictors més forts que donen forma a les comunitats fúngiques en aquests ecosistemes forestals. És important destacar que les comunitats de micorizes es veuen significativament afectades per P però no per N, per tant, un important comerciant de nutrients en aquests ecosistemes. De la mateixa manera, les comunitats ectomicorríziques a la filogenètica no van ser diferents entre els pins hospedants ni en la filogenètica. A més, observem que el pH va ser l'única variable significativa que va influir a la comunitat ectomicorrícica filogenètica, mentre que l'estructura filogenètica va estar lleugerament influenciada per l'efecte compartit de l'estructura del rodal, el terra i la distància geogràfica. Finalment, detectem canvis en l'economia de nutrients entre els tipus d'ectomicorrícics relacionats amb canvis a les comunitats microbianes amb ecologies contrastants. Per tant, el reemplaçament de coníferes per espècies de fulla ampla pot promoure canvis cap al cicle del N inorgànic, mentre que els fongs ectomicorrícics a les coníferes poden retenir el N i retardar el cicle del C. En base a aquests resultats, es pot concloure que 1.- La mida del pool de mostres influeix significativament en l'estimació de la diversitat fúngica del sòl i augmentar el nombre de pools de mostres de sòl millora les prediccions de diversitat. 2.- Les propietats fisicoquímiques del sòl tenen més influència sobre els fongs del sòl que sobre les espècies hostaleres, i la filtració ambiental juga un paper important en la formació de comunitats fúngiques. 3.- La composició filogenètica, l'estructura i la diversitat dels fongs ectomicorrícics es veuen afectades per les condicions abiòtiques locals i el pH del sòl actua com un factor important en la conformació de les comunitats filogenètiques d'ectomicorrízics. 4. -La substitució de coníferes per espècies de fulla ampla pot provocar canvis a les comunitats microbianes i el cicle de nutrients, promovent el cicle del nitrogen.

Los bosques juegan un papel fundamental en el mantenimiento de la biodiversidad mundial y el funcionamiento de los ecosistemas. Dentro de los ecosistemas forestales, los hongos del suelo sirven como componentes vitales, dando forma al ciclo de nutrientes, el crecimiento de las plantas y la estabilidad general del ecosistema. Estudios recientes han arrojado luz sobre la importancia de las comunidades fúngicas y sus intrincadas relaciones con diversos factores, como las propiedades físico-químicas del suelo, las especies huésped y los tipos de hábitat, dentro de los bosques de pino mediterráneo. Sin embargo, todavía se sabe poco sobre los impactos que tendrá un cambio climático global en la dinámica de la comunidad de hongos del suelo y en el ciclo de nutrientes en los ecosistemas de bosques mediterráneos propensos a la sequía. El objetivo principal de esta tesis fue describir el efecto de los cambios en la estructura del bosque y en las propiedades físico-químicas del suelo sobre la comunidad fúngica del suelo y la dinámica del ciclo de nutrientes. Además, identificamos el número mínimo de muestras agrupadas necesarias para obtener una descripción fiable de las comunidades fúngicas en términos de diversidad y composición en tres bosques mediterráneos diferentes. Esta tesis doctoral se llevó a cabo en dos zonas experimentales. El primero constaba de 5 tripletes que representaban un bosque mixto de Pinus. sylvestris-Quercus robur, y dos bosques monoespecíficos de cada especie, ubicados respectivamente en el Prepirineo. La segunda zona constaba de constaba de 42 bosques dominados por Pinus nigra puro, Pinus halepensis o Pinus sylvestris o un bosque mixto de Pinus nigra– Pinus halepensis o Pinus nigra– Pinus sylvestris ubicados en la región prepirenaica de Cataluña, en el noreste de España, donde se ha registrado un conjunto de parcelas de seguimiento a largo plazo en las que se ha registrado fructificación fúngica durante ~20 años. Utilizando técnicas moleculares como secuenciación de ADN de alto rendimiento (PacBio RS II, Illumina MiSeq), extracción de ergosterol y PCR en tiempo real (qPCR), describimos la composición fúngica y la dinámica de la biomasa de estos suelos forestales, y evaluamos los efectos de cambios en la estructura del bosque y en las propiedades fisicoquímicas del suelo. Primero, observamos que la combinación de tres muestras de suelo en rodales de Pinus y Quercus proporcionó estimaciones de riqueza consistentes, mientras que se necesitaban al menos seis muestras en rodales mixtos. Por otro lado, la diversidad ß disminuyó con el aumento de los grupos de muestras en rodales monoespecíficos, mientras que no hubo efecto del tamaño 12 del grupo de muestras en rodales mixtos y en la composición de especies. Luego, observamos que a lo largo de un gradiente regional en los Prepirineos mediterráneos, las comunidades fúngicas se vieron afectadas principalmente por las propiedades del suelo, siendo el pH, P y la relación C:N los predictores más fuertes que dan forma a las comunidades fúngicas en estos ecosistemas forestales. Es importante destacar que las comunidades de micorrizas se ven significativamente afectadas por P pero no por N, por lo tanto, un importante comerciante de nutrientes en estos ecosistemas. Del mismo modo, las comunidades ectomicorrízicas a nivel filogenético no fueron diferentes entre los pinos hospedantes. Además, observamos que el pH fue la única variable significativa que influyó en la comunidad ectomicorrícica filogenética, mientras que la estructura filogenética estuvo ligeramente influenciada por el efecto compartido de la estructura del bosque, el suelo y la distancia geográfica. Por último, detectamos cambios en la economía de nutrientes entre los tipos de ectomicorrícicos relacionados con cambios en las comunidades microbianas con ecologías contrastantes. Por lo tanto, el reemplazo de coníferas por especies de hoja ancha puede promover cambios hacia el ciclo del N inorgánico, mientras que los hongos ectomicorrícicos en las coníferas pueden retener el N y retardar el ciclo del C. En base a estos resultados, se puede concluir que 1.- El tamaño del pool de muestras influye significativamente en la estimación de la diversidad fúngica del suelo, y aumentar el número de pools de muestras de suelo mejora las predicciones de diversidad. 2.- Las propiedades fisicoquímicas del suelo tienen una mayor influencia sobre los hongos del suelo que sobre las especies hospederas, y la filtración ambiental juega un papel importante en la formación de comunidades fúngicas. 3.- La composición filogenética, la estructura y la diversidad de los hongos ectomicorrícicos se ven afectadas por las condiciones abióticas locales y el pH del suelo actúa como un factor importante en la conformación de las comunidades filogenéticas de ectomicorrízicos. 4. -La sustitución de coníferas por especies de hoja ancha puede provocar cambios en las comunidades microbianas y el ciclo de nutrientes, promoviendo el ciclo del nitrógeno inorgánico y alterando potencialmente los flujos de carbono y nitrógeno del suelo.

Forests play a critical role in maintaining global biodiversity and ecosystem functioning. Within forest ecosystems, soil fungi serve as vital components, shaping nutrient cycling, plant growth, and overall ecosystem stability. Recent studies have shed light on the significance of fungal communities and their intricate relationships with various factors, such as soil physicochemical properties, host species, and habitat types, within Mediterranean pine forests. However, still little is known about the impacts that a global climate change will have on soil fungal community dynamics and on nutrient cycling in drought-prone Mediterranean forests ecosystems. The main objective of this thesis was to describe the effect of forest structure and soil physic-chemical properties changes on soil fungal community and nutrient cycling dynamics. In addition, we identified minimum number of pooled samples needed to obtain a reliable description of fungal communities in terms of diversity and composition in three different Mediterranean forests. This doctoral thesis was carried out in two experimental set-ups. The first of 5 triplets representing a mixed Pinus sylvestris- Quercus. robur stand, and two monospecific stands of each species, respectively located in in Pre-pyrenees. The second set up consisted of 42 forests dominated by either pure Pinus. nigra, Pinus halepensis or Pinus sylvestris or a Pinus nigra– Pinus. halepensis or Pinus nigra– Pinus sylvestris mixture located in pre-Pyrenees region of Catalonia in north-eastern Spain where set of long-term monitoring plots in which fungal fruit- ing has been recorded for ~20 years. Using molecular techniques such as high-throughput DNA sequencing (PacBio RS II, Illumina MiSeq), ergosterol extraction and real-time PCR (qPCR), we have described d fungal composition and biomass dynamics of these forest soils, and we assessed the effects of changes in forest structure and soil physio-chemical properties. First, we observed that pooling three soil samples in Pinus and Quercus stands provided consistent richness estimations, while at least six samples were needed in mixed-stands. On the other hand, ß-diversity decreased with increasing sample pools in monospecific-stands, while there was no effect of sample pool size on mixed-stands and on species composition. Then, we observed that along a regional gradient in the Mediterranean Pre-Pyrenees fungal communities were primarily affected by soil properties, with pH, P and the C:N ratio the strongest predictors shaping fungal communities in these forest ecosystems. Importantly, mycorrhizal communities are significantly affected by P but not N, therefore an important nutrient trader in these 10 ecosystems. Similarly, ectomycorrhizal communities at phylogenetic were not different among pine tree hosts neither in phylogenetic. Moreover, we observed that pH was the only significant variable influencing phylogenetic ectomycorrhizal community, while phylogenetic structure was slightly influenced by the shared effect of stand structure, soil and geographic distance. Lastly, we detected changes in the nutrient economy among ectomycorrhizal types relates to shifts in microbial communities with contrasting ecologies. Therefore, replacement of conifers by broadleaf species may promote shifts towards inorganic N-cycling, while ectomycorrhizal fungi in conifers may retain N and slow C cycling. Based on these results, it can be concluded that 1.- The sample pool size significantly influences the estimation of soil fungal diversity, and increasing the number of soil sample pools improves diversity predictions. 2.- Soil physicochemical properties have a greater influence on soil fungi than host species, and environmental filtering plays a significant role in shaping fungal communities. 3.- Phylogenetic composition, structure, and diversity of ectomycorrhizal fungi are affected by local abiotic conditions and soil pH act as important factors in shaping ectomycorrhizal phylogenetic communities. 4. -The replacement of conifers by broadleaf species can lead to shifts in microbial communities and nutrient cycling, promoting inorganic nitrogen cycling and potentially altering soil carbon and nitrogen fluxes.