Climate change impacts on the biogeographical patterns of Mediterranean macrofungi

Abstract

Els macro-fongs, un subconjunt de fongs que genera cossos fructífers visibles a simple vista (bolets), tenen un gran valor ecològic, social i econòmic. D'una banda, els macro-fongs juguen un paper molt important en el funcionament dels ecosistemes, regulant el cicle dels nutrients i afavorint el creixement de les plantes. D'altra banda, els bolets proporcionen altres serveis eco-sistèmics com ara l’aprovisionament (per exemple, bolets comestibles) o serveis culturals (per exemple, recol·lecció i/o comercialització). Per comprendre els patrons biogeogràfics de la fructificació dels macro-fongs i estimar el valor que aquests representen tant per als ecosistemes naturals com per a la nostra societat, és necessari l'estudi de la interacció entre els fongs i aquests ecosistemes. El context de canvi climàtic antropogènic, en el qual ens veiem immersos, pot impactar directament en els macro-fongs canviant els seus patrons de fructificació i el valor que aquests aporten. Aquesta tesi pretén desentranyar els patrons biogeogràfics de productivitat i diversitat de macro-fongs, així com veure l'impacte del canvi climàtic sobre ells. Aquesta tesi doctoral s'ha nodrit principalment d'una xarxa de més de 100 parcel·les permanent (situades a la regió de Catalunya) mostrejades durant més de 20 anys i contemplant un ampli gradient bioclimàtic representatiu de la regió mediterrània. En aquestes, s'han recol·lectat setmanalment tots els bolets que fructificaven durant el període de major fructificació de bolets a la regió d'estudi (juliol-desembre). A més, s'han utilitzat dades bioclimàtiques d'alta resolució per entendre les relacions entre aquests i la productivitat i diversitat de macro-fongs. Aquestes dades s'han tractat utilitzant les tècniques de modelització i anàlisi de dades més punteres i noves en l'àmbit de l'ecologia, entre ells, models d’aprenentatge automàtic, models estadístics, anàlisi espacial i de tendències temporals. Determinem que, per a la predicció dels patrons biogeogràfics de macro-fongs els models d’aprenentatge automàtic, i en concret l'algoritme de random forest, són els millors candidats per estimar la seva productivitat. Amb ells, estimem la productivitat del conjunt de macro-fongs, així com del conjunt d'espècies sapròfites, micorríziques i sis espècies d'alt valor socioeconòmic a la regió d'estudi. Vam veure que la major productivitat del total de macro-fongs es dóna a les cotes més elevades: a la regió subalpina i muntanya. De la mateixa manera, en aquestes regions bioclimàtiques també es van registrar els majors valors de diversitat de macro-fongs. També vaig veure que el canvi climàtic afectarà tant a la productivitat com diversitat de macro-fongs i en concret les cotes més elevades seran les més afectades. Estimem que aquest impacte serà major sota escenaris de canvi climàtic on s'espera un major increment de les temperatures, i arribant a ser gairebé imperceptible en aquells escenaris amb un menor augment de la temperatura. Tot i així, els patrons biogeogràfics actuals, futurs i històrics per a les diferents espècies i grups tròfics són propis de cadascun d'ells degut als seus requisits ecològics. Aquesta tesi doctoral suggereix que reduint les emissions de gasos d'efecte hivernacle es pot reduir l'impacte del canvi climàtic sobre les comunitats de macro-fongs. També pretén posar llum sobre la necessitat d'anticipar els possibles impactes del canvi global sobre els macro-fongs i d'aplicar polítiques de gestió dirigides a mantenir l'important paper dels macro-fongs en la provisió de múltiples serveis eco-sistèmics, incloent tant la mitigació i l'adaptació al canvi climàtic.

Los macro-hongos, un subconjunto de hongos que genera cuerpos fructíferos visibles a simple vista (setas), tienen un gran valor ecológico, social y económico. Por un lado, los macro-hongos juegan un papel muy importante para el funcionamiento de los ecosistemas, regulando el ciclo de los nutrientes y favoreciendo el crecimiento de las plantas. Por otro lado, las setas proporcionan otros servicios eco-sistémicos de aprovisionamiento (por ejemplo, setas comestibles) y servicios culturales (por ejemplo, recolección y/o comercialización). Para comprender los patrones biogeográficos de la fructificación de los macro-hongos y estimar el valor que estos representan tanto para los ecosistemas naturales como para nuestra sociedad, es necesario el estudio de la interacción entre los hongos y dichos ecosistemas. El contexto de cambio climático antropogénico, en el cual nos vemos inmersos, puede impactar directamente en los macro-hongos cambiando sus patrones de fructificación y el valor que estos aportan. Esta tesis pretende desentrañar los patrones biogeográficos de productividad y diversidad de macro-hongos, así como ver el impacto del cambio climático sobre ellos. Esta tesis doctoral se ha nutrido principalmente de una red de más de 100 parcelas permanente (situadas en la región de Cataluña) muestreadas durante más de 20 años y contemplando un amplio gradiente bioclimático representativo de la región mediterránea. En estas, se han recolectado semanalmente todas las setas que fructificaban durante el periodo de mayor fructificación de setas en la región de estudio (julio-diciembre). Además, se han utilizado datos bioclimáticos de alta resolución para entender las relaciones entre estos y la productividad y diversidad de macro-hongos. Estos datos se han tratado utilizando las técnicas de modelización y análisis de datos más punteras y novedosas en el ámbito de la ecología, a saber, modelos de aprendizaje automático, modelos estadísticos, análisis espacial y de tendencias temporales. Determinamos que, para la predicción de los patrones biogeográficos de macro-hongos los modelos de aprendizaje automática, y en concreto el algoritmo de random forest, son los mejores candidatos para estimar su productividad. Con ellos, estimamos la productividad del conjunto de macro-hongos, así como del conjunto de especies saprófitas, micorrícicas y seis especies de alto valor socio-económico en la región de estudio. Vi que la mayor productividad del total de macro-hongos se da en las cotas más elevadas: en los pisos subalpino y montano. De la misma forma, en estas regiones bioclimáticas también se registraron los mayores valores de diversidad de macro-hongos. También vimos que el cambio climático afectará tanto a la productividad como diversidad de macro-hongos y en concreto las cotas más elevadas serán las más afectadas. Estimamos que este impacto será mayor bajo escenarios de cambio climático que donde se espera un mayor incremento de las temperaturas, y llegando a ser casi imperceptible en aquellos escenarios con un menor aumento de la temperatura. Aun así, les patrones biogeográficos actuales, futuros e históricos para las distintas especies y grupos tróficos son propios de cada uno de ello debido a sus requisitos ecológicos. Esta tesis doctoral sugiere que reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero se puede reducir el impacto del cambio climático sobre las comunidades de macro-hongos. También pretende arrojar luz sobre la necesidad de anticipar los posibles impactos del cambio global sobre los macro-hongos y de aplicar políticas de gestión dirigidas a mantener el importante papel de los macro-hongos en la provisión de múltiples servicios eco-sistémicos, incluyendo tanto la mitigación y la adaptación al cambio climático.

Macrofungi, a subset of fungi that produce fruiting bodies visible to the naked eye (mushrooms), have significant ecological, social, and economic value. On one hand, macrofungi play a crucial role in ecosystem functioning, regulating nutrient cycles and promoting plant growth. On the other hand, mushrooms provide other ecosystem services like provisioning (e.g., edible mushrooms) and cultural services (e.g., gathering and/or commercialization). To understand the biogeographical patterns of macrofungi fruiting and estimate their value for both natural ecosystems and our society, it is necessary to study the interaction between fungi and these ecosystems. The context of anthropogenic climate change, in which we find ourselves immersed, can directly impact macrofungi by changing their fruiting patterns and the value they provide. This thesis aims to unravel the patterns of productivity and diversity of macrofungi, as well as to see the impact of climate change on them. This doctoral thesis has mainly been nourished by a network of more than 100 permanent plots (located in the Catalonia region) sampled for over 20 years and encompassing a wide bioclimatic gradient representative of the Mediterranean region. In these plots, all the mushrooms fruiting during the peak fruiting period in the study region (July-December) have been collected weekly. In addition, high-resolution bioclimatic data have been used to understand the relationships between these and the productivity and diversity of macrofungi. These data have been processed using the most advanced and innovative data modeling and analysis techniques in the field of ecology, namely, machine learning models, statistical models, and spatial and temporal trend analysis. We determined that, for predicting the biogeographic patterns of macrofungi, machine learning models, specifically the random forest algorithm, are the best candidates for estimating their productivity. With them, we estimated the total macrofungal productivity, as well as of the saprotrophic, mycorrhizal species, and six species of high socio-economic value in the study region. We saw that the highest productivity of the total macrofungi occurs at the highest elevations: in the subalpine and mountain regions. Similarly, in these bioclimatic regions, the highest values of macrofungal diversity were also recorded. We also saw that climate change will affect both the macrofungal productivity and diversity, and specifically the highest elevations will be the most affected. We estimate that this impact will be greater under climate change scenarios where a greater increase in temperatures is expected, becoming almost imperceptible in those scenarios with a lesser temperature increase. However, the current, future, and historical biogeographic patterns for the different species and trophic groups are unique to each due to their ecological requirements. This doctoral thesis suggests that reducing greenhouse gas emissions can reduce the impact of climate change on macrofungal communities. It also aims to shed light on the need to anticipate the possible impacts of global change on macrofungi and to apply management policies aimed at maintaining their important role in providing multiple ecosystem services, including both mitigation and adaptation to climate change.