Responses of sensitive alpine ecosystems to climate change
Author(s)
D'Alò, Federica
Date Issued
July 16, 2021
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Mountains cover 25% of the world’s land surface and are distributed across all latitudes and longitudes. Alpine ecosystems are largely characterized by low temperatures and comprise various habitats including soils, bare rocks, permafrost, glaciers and snow (Donhauser and Frey, 2018). Climate, vegetation and soil properties in alpine ecosystems vary greatly over short spatial distances and altitudinal gradients. For this reason, mountains are rich in biodiversity and the gross and net photosynthesis is generally low because of low temperatures and water-saturated surface conditions, which strongly limit decomposition and ecosystem respiration, resulting in a net influx and longterm net C accumulation in soils. Mountain ecosystems are among the most sensitive ecosystems to climate change and are being affected at a faster rate than other terrestrial habitats. During the last century, the European Alps are experiencing a strong climate warming, with an increase of the mean annual air temperature exceeding the global average of 0.6±0.2°C, with possible consequences on the CO2 release into the atmosphere. Moreover, an upward migration and areal expansion of shrubs has been widely documented as a consequence of climate change. Since above-ground ecosystems are interlinked with the related below-ground components, the expected shifts in alpine plant communities due to climate change are expected to alter the release and composition of organic compounds into the soils and their decomposition rates, in turn altering the composition and functioning of soil microbial communities. As soil microorganisms are largely responsible for cycling of soil organic carbon and other nutrients, they have a key role in climate feedback, including production or consumption of greenhouse gases such as CO2, CH4 and N2O. Climate change may have both short-term effects on ecosystems, bymodifying above- and below-ground linkages in current species assemblages, and longer-term impacts that include species redistribution such as the upward shifts along elevation gradients. In this light, this study focused on the Stelvio Pass, Italian Alps, where two sites at two different elevations were chosen, a subalpine and an alpine belt. The effects of simulated environmental changes were investigated in field experiments by the use of open-top chambers at the alpine belt. With this study we aimed i) to characterize the composition and functional potential of the microbiome of alpine and subalpine soils and its expression in the time of the highest vegetation productivity; ii) to explore the potential short-term and long-term effects of increasing temperature on alpine soils. We found that the composition and functional potential of the microbiome was strongly differentiated under different types of vegetation. Prokaryotic and eukaryotic alpha diversity increased along the altitudinal gradient according to the greater environmental harshness characterizing high altitudes. Subalpine shrubland sites showed the highest share of fungi, that was correlated with higher amounts of carbohydrate-active enzymes, specific for degrading fungal biomass and recalcitrant plant biopolymers, such as pectin, cellulose, glucuroxylans. The subalpine vegetation shift seemed to cause a possible loss of species connected to the alpine soils, the shrubs expansion may accelerate the more recalcitrant C decomposition and decrease total ecosystem C storage, thereby increasing the efflux of CO2 to the atmosphere and having a positive feedback to warming. On the other hand, the short-term warming effects studied by means of OTCs, did not show to determine significant differences in communities composition and functioning between experimental warming devices and the counterpart controls. Since five-years of experimental warming did not allow us to make bold conclusions, longer-term warming experiments are needed to investigate eventual effects on soil microbiome. Finally, given the similarities between alpine and polar regions, such as the greening and shrub encroachment reported all over the Arctic, the bacterial communities associated to three different soil habitats in Western Greenland, representative of a vegetation increasing coverage, were investigated with the metabarcoding approach. The type of coverage resulted to be the main predictor of community composition and the shrub composition a fundamental parameter in vegetated plots. The results showed a high number of species unique of the simplest ecosystems, that are expected to be outcompeted with the expansion of shrubs, suggesting a possible loss of local diversity. The advent of high-throughput-sequencing methods allowed to have available large amounts of sequencing data on microbial soils from different terrestrial environments and may give us interesting results when combined. In the light of this, I collaborate to the creation of a global database which represents th most comprehensive atlas of global fungal distribution occurrences from high-throughput-sequencing metabarcoding studies available to date. This database is of high importance to determine how environmental factors affect the diversity and distribution of fungal communities worldwide.
Le montagne coprono il 25% della superficie terrestre e si estendono a diverse latitudini e longitudini. Gli ecosistemi alpini sono in gran parte caratterizzati da basse temperature e comprendono vari habitat tra cui suoli, rocce nude, permafrost, ghiacciai e zone innevate. Il clima, la vegetazione e le proprietà del suolo negli ecosistemi alpini variano notevolmente su brevi distanze spaziali e gradienti altitudinali. Per questo motivo, le montagne sono ricche di biodiversità e la fotosintesi, sia totale che netta, è generalmente limitata a causa delle basse temperature e delle condizioni della superficie satura d'acqua. Queste condizioni limitano fortemente la decomposizione e la respirazione degli ecosistemi, con conseguente afflusso e accumulo netto di C a lungo termine nei suoli. Gli ecosistemi montani sono tra gli ecosistemi più sensibili ai cambiamenti climatici rispetto ad altri habitat terrestri. Infatti, nel corso dell'ultimo secolo, le Alpi europee stanno subendo un forte riscaldamento climatico, con un aumento della temperatura media annuale dell'aria superiore alla media globale di 0,6±0,2°C, con possibili conseguenze sul rilascio di CO2 in atmosfera. Inoltre, è stata ampiamente documentata una migrazione verso l'alto e un'espansione areale degli arbusti come conseguenza del cambiamento climatico. Poiché la composizione vegetale è interconnessa con la relativa componente microbica del sottosuolo, i cambiamenti previsti nelle comunità vegetali alpine dovuti ai cambiamenti climatici potranno alterare il rilascio e la composizione dei composti organici nei suoli e i loro tassi di decomposizione, alterandone a loro volta la composizione e il funzionamento delle comunità microbiche del suolo. Poiché i microrganismi del suolo sono in gran parte responsabili del ciclo del carbonio organico presente nel suolo e di altri nutrienti, svolgono un ruolo chiave nel feedback climatico, che comprende la produzione o il consumo di gas serra come CO2, CH4 e N2O. I cambiamenti climatici possono avere sia effetti a breve termine sugli ecosistemi, modificandone le interazioni vegetazione/microrganismi negli attuali assemblaggi di specie, sia effetti a lungo termine che includono la ridistribuzione delle specie come gli spostamenti verso l'alto lungo i gradienti altitudinali. Alla luce di ciò, questo studio si è concentrato sul Passo dello Stelvio, nelle Alpi italiane, dove sono stati scelti due siti a due diverse altitudini, ovvero una zona subalpina ed una alpina. Gli effetti dei cambiamenti climatici sono statti simulati nella fascia alpina e analizzati attraverso l’uso di camere di riscaldamento artificiale (OTC) installate in situ. Gli scopi principali erano: i) caratterizzare la composizione e il potenziale funzionale del microbioma dei suoli alpini e subalpini e la sua espressione durante il picco vegetativo; ii) esplorare i potenziali effetti a breve e a lungo termine dell'aumento della temperatura sui suoli alpini. Abbiamo osservato che la composizione e il potenziale funzionale del microbioma erano fortemente differenziati in base a diversi tipi di vegetazione. L’ alpha diversità della componente procariotica ed eucariotica aumentava lungo il
gradiente altitudinale in funzione delle caratteristiche ambientali più ostili che caratterizzano le alte quote. Il sito subalpino dominato dagli arbusti ha registrato una maggiore presenza della componente fungina, che è stata correlata con la presenza di una maggiore quantità di enzimi attivi nella degradazione dei carboidrati, specifici per la degradazione della biomassa fungina e biopolimeri vegetali recalcitranti, come pectina, cellulosa, glucuronoxilani. Perciò, lo spostamento della vegetazione subalpina verso l’ alta quota potrà causare una possibile perdita di specie legate ai suoli alpini e, inoltre, l'espansione degli arbusti potrà accelerare la decomposizione di C più recalcitrante e diminuire l'accumulo di C totale nell'ecosistema, aumentando così l'efflusso di CO2 nell'atmosfera con potenziale feedback positivo sul riscaldamento globale. D'altra parte, gli effetti di riscaldamento a breve termine studiati tramite le OTC, non hanno mostrato differenze significative nella composizione e nel funzionamento delle comunità tra le camere di simulazione e i rispettivi controlli. Poiché cinque anni di riscaldamento sperimentale non ci hanno permesso di trarre conclusioni definitive, saranno necessari esperimenti di riscaldamento a lungo termine per studiare eventuali effetti sul microbioma del suolo. Infine, date le somiglianze tra regioni alpine e polari, come l'inverdimento e l'invasione di arbusti segnalati in tutto l'Artico, le comunità batteriche associate a tre diversi habitat del suolo nella Groenlandia occidentale, rappresentative di una copertura vegetazione crescente, sono state studiate con l'approccio metabarcoding . Il tipo di copertura vegetale è risultato essere il principale predittore della composizione della comunità e la composizione arbustiva un parametro fondamentale negli appezzamenti vegetati. I risultati hanno mostrato un elevato numero di specie uniche degli ecosistemi più ad alta quota, che dovrebbero essere superate dall'espansione degli arbusti, suggerendo una possibile perdita di diversità locale. L'avvento di metodi di sequenziamento ad alto rendimento ha permesso di avere a disposizione grandi quantità di dati di sequenziamento su suoli microbici provenienti da diversi ambienti terrestri che possono fornire risultati interessanti se combinati. Alla luce di ciò, ho collaborato alla realizzazione di un database globale che rappresenti l'atlante più completo degli eventi di distribuzione fungina globale derivati da studi di metabarcoding disponibili fino ad ora. Questo database è di grande importanza per determinare come i fattori ambientali influenzano la diversità e la distribuzione delle comunità fungine in tutto il mondo.
Additional information
Dottorato di ricerca in Ecologia e gestione sostenibile delle risorse ambientali
File(s)![Thumbnail Image]()
Name
fdalo_tesid.pdf
Size
7.25 MB
Format
Adobe PDF
Checksum (MD5)
c07ecdb90cf8aa44806029fa47ca0613