Estudio de las redes de interacción plantas-hongos micorrícicos y su implicación en los mecanismos que regulan el reclutamiento entre plantas

Resumen

Antecedentes Las plantas y sus microorganismos asociados tienen un papel clave en la estructura y mantenimiento de los ecosistemas forestales. La diversidad taxonómica y funcional, tanto de comunidades vegetales como de microoganismos del suelo, permiten explicar cambios que se producen en el ciclado de nutrientes en los bosques ya que, bien como insumos de materia orgánica o descomponedores de la misma, facilitan la movilización de nutrientes en el suelo forestal. Así, es bien conocido que la movilización de nutrientes a la que las interacciones entre plantas y hongos formadores de micorrizas da lugar es fundamental para la coexistencia de ambos simbiontes. Además, esta simbiosis puede ser clave a la hora de identificar y comprender los mecanimos que operan en la coexistencia entre plantas, facilitando de este modo la estructuración y mantenimiento del bosque. La particularidad de la cuenca mediterránea ha propiciado la formación de bosques con una riqueza de especies y diversidad funcional muy elevadas, por lo que se la considera un hot spot de biodiversidad. Estos bosques conforman, por tanto, áreas de estudio muy valiosas para analizar cómo las especies vegetales y de hongos micorrícicos se ensamblan, así como los procesos ecológicos que operan sobre dicho ensamblaje. A su vez, la amplia variación en la estructura de ambas comunidades que se da en estos ambientes permite evaluar su contribución al funcionamiento del suelo, el cual es clave para el mantenimiento de los ecosistemas forestales Mediterráneos. Objetivos El objetivo general de esta tesis fue caracterizar estructuralmente las asociaciones planta-hongo ectomicorrícico de bosques mixtos Mediterráneos y determinar su implicación sobre el ciclado de nutrientes en el ecosistema forestal. Los objetivos específicos fueron: primero, medir la actividad enzimática en el entorno rizosférico de especies de plantas características de comunidades de bosques mixtos Mediterráneos (Capítulo 1). Segundo, caracterizar la estructura de las comunidades fúngicas ectomicorrícicas en bosques mixtos Mediterráneos, su relación con las plantas hospedadoras y evaluar los procesos de ensamblaje de las comunidades (Capítulo 2). Tercero, determinar las relaciones entre la estructura de las redes de co-ocurrencia de hongos ectomicorrícicos y actividades enzimáticas indicadoras del ciclado de carbono, nitrógeno y fósforo en el suelo (Capítulo 3). Metodología Las áreas de estudio se ubicaron en el parque periurbano Monte La Sierra (Jaén) y el Parque Natural de las Sierras de Cazorla, Segura y Las Villas (Segura), ambos en la provincia de Jaén. En ambas zonas, se delimitaron cuatro parcelas en bosques mixtos dominados por pinos y quercíneas con una elevada riqueza de especies vegetales en las capas inferiores del dosel arbóreo. Se muestrearon suelos y raíces de 21 especies en Jaén y 16 en Segura, 5 de ellas siendo comunes a ambas áreas de estudio. Los muestreos se llevaron a cabo durante el otoño de 2016 y la primavera de 2017. Las muestras recogidas se procesaron en el laboratorio para: 1) la caracterización de los suelos mediante la determinación de nueve actividades enzimáticas relacionadas con los ciclos de carbono, nitrógeno y fósforo, y 2) la caracterización de las comunidades fúngicas ectomicorrícicas de las raíces de las especies vegetales, cuyas estructuras simbióticas se analizaron mediante secuenciación masiva de la región ITSI del ADN ribosómico. Las secuencias obtenidas se procesaron mediante herramientas bioinformáticas para la posterior asignación taxonómica de cada secuencia y la determinación del nicho ecológico más probable para cada taxón. El efecto de la filogenia y diversidad de rasgos morfo-funcionales de las especies vegetales sobre el ciclado de nutrientes (Capítulo 1) se llevó a cabo mediante modelos de regresión. A éstos les siguieron análisis que permitieron detectar la posible señal filogenética de las especies vegetales sobre el ciclado de nutrientes en el suelo. Por último, se evaluó la contribución de la composición filogenética y diversidad de rasgos morfo-funcionales de la comunidad vegetales mediante análisis de redundancia canónica. El ensamblaje de las comunidades fúngicas ectomicorrícicas (Capítulo 2) se estudió en las plantas hospedadoras con estatus ectomicorrícico presentes en ambas zonas de estudio (Cistus albidus L., Quercus ilex L. y Quercus faginea LAM.). Primero, se evaluó el papel de los factores espacio-temporales y la identidad de la planta hospedadora mediante análisis permutacionales y modelos de regresión. Seguidamente, se compararon las fuentes de variación de la disimilitud tanto filogenética como taxonómica para inferir la contribución de los procesos ecológicos. La relación entre la estructura de las comunidades ectomicorrícicas y la multi-actividad enzimática del suelo (Capítulo 3) se llevó a cabo aplicando la teoría de redes de co-ocurrencias. Para poder comparar cambios entre áreas de estudio, se atendió a las comunidades fúngicas analizadas en el Capítulo 2. Primero, se caracterizó la estructura de dichas redes de hongos en Jaén y Segura para así estimar la contribución de distintos parámetros estructurales de red y de cada taxón fúngico en particular, sobre la multi-actividad enzimática en los suelos. Resultados El Capítulo 1 muestra que la filogenia, junto con los rasgos foliares y el tipo de simbiosis micorrícica son los principales predictores del ciclado de nutrientes entre especies de planta. En particular, se detectó una señal filogenética en el ciclo de nitrógeno en ambos bosques, en el ciclado de carbono recalcitrante en Jaén y de fósforo en Segura. Además, las actividades enzimáticas involucradas en los ciclos de carbon y fósforo fueron mayores en plantas con simbiosis ectomicorrícica, mientras que aquellas que se relacionan con el ciclo del nitrógeno aumentaron bajo plantas con simbiosis micorrícico arbuscular. El Capítulo 2 revela una contribución significativamente superior de los procesos estocásticos (probabilísticos) en el ensamblaje de las comundiades fúngicas ectomicorrícias respecto a los procesos deterministas (filtrado ambiental). Además, la importancia de los procesos deterministas y de deriva (asociada a estocasticidad) mostraron una tendencia a disminuir a escalas más finas (a nivel de planta hospedadora), al contrario que la limitación de la dispersión (también asociada a estocasticidad), que mostró un incremento en dichas escalas. Las redes de co-ocurrencia de hongos ectomicorrícicos del Capítulo 3 reflejaron diferencias estructurales y funcionales significativas entre las comunidades de Jaén y Segura. Mientras las primeras (Jaén) mostraron una menor complejidad, su capacidad de estimar actividades enzimáticas aumentó. En contraste, se observó el patrón opuesto en las comunidades de Segura (mayor complejidad estructural pero una menor estimación de actividades enzimáticas por los taxones fúngicos ectomicorrícicos). Conclusiones A pesar de que la participación de plantas y hongos micorrícicos como agentes moduladores del ciclado de nutrientes es un hecho contrastado en la mayoría de ecosistemas forestales, su evidencia en bosques con comunidades diversas taxonómica y funcionalmente continúa siendo escasa, especialmente en ambientes Mediterráneos. En estos ecosistemas, las comunidades vegetales han revelado patrones de diferenciación en los ciclos de nutrientes en relación a la filogenia de la comunidad. Esto es, especies filogenéticamente próximas tienden a mostrar tasas de ciclado de nutrientes similares. A su vez, las características foliares y el tipo predominante de simbiosis micorrícica han sido claves para entender variaciones en los ciclos de nutrientes en las comunidades vegetales. Debido a la implicación directa de los hongos ectomicorrícicos sobre actividades enzimáticas del suelo, fue necesario describir la estructura de sus comunidades antes de inferir su potencial funcional. El ensamblaje de dichas comunidades mostró una influencia clara de los procesos estocásticos, identificando a la aleatoriedad y los efectos de prioridad como mecanismos fundamentales en su configuración. A pesar de ello, el patrón de agregación filogenética general que se observa en las comunidades de ambas zonas apuntaría a las características dispersivas y/o competitivas de los distintos linajes fúngicos como rasgos funcionales clave en el ensamblaje de las comunidades. Por su parte, las redes de co-ocurrencia de hongos ectomicorrícicos mostraron claras diferencias estructurales, siendo menos complejas en Jaén que en Segura. Por el contrario, su contribución para estimar actividades enzimáticas del suelo fue superior en las comunidades de Jaén respecto de las de Segura. Estos contrastes entre ambas áreas de estudio podrían ser indicadores de cambios en la disponibilidad de nicho (limitado en Jaén y diversificado en Segura). La limitación de nicho haría aumentar el carácter competitivo entre hongos ectomicorrícicos en Jaén, llevando a un mayor carácter saprofítico de la comunidad (aumento de la descomposición de la materia orgánica del suelo). Por el contrario, la mayor heterogeneidad ambiental en Segura incrementaría la diversificación y segregación de nichos que, al contrario que en Jaén, haría disminuir el carácter competitivo entre las especies fúngicas facilitando su coexistencia y resultando en una estabilidad funcional de la comunidad ectomicorrícica. Esto podría sugerir que, más allá de la conservación de caracteres funcionales dentro de los distintos linajes, su potencial funcionalidad sería también depedendiente de la frecuencia e intensidad con la que las especies fúngicas interaccionan entre ellas.