Effect of mycorrhization on Quercus suber L. tolerance to drought

Abstract

Mediterranean temperate forests have been identified as major biodiversity hotspots. These ecosystems are currently threatened by long term drought imposition, which will be further enhanced by the predicted climate changing. Cork oak (Quercus suber L.) is an evergreen species typically distributed within the Mediterranean Basin that has an important economic and social impact for the Iberian Peninsula. Q. suber forests can comprise different forest systems, ranging from forests with high tree density (400 trees/ha, sobreirais) to savannah-like landscapes with 60–100 trees/ha (montados). Although, well adapted to summer drought season, increasing of temperature and decreasing of precipitation is endangering the sustainability of cork oak forests. A key role for cork oak adaptation and tolerance to drought could be played by the microbial community, namely ectomycorrhizal fungi and bacteria. In the present PhD project, seven cork oak forests from five different geographic locations, at different landscapes and gradient of water availability, were sampled. Ectomycorrhizal (ECM) community was assessed by barcoding of root tips present in soils samples, whereas the bacterial community of the same cork oak soils samples was assessed by metabarcoding using Illumina MiSeq sequencing. ECM community was predominantly dominated by Basidiomycota whereas bacterial community was highly enriched in Proteobacteria, Actinobacteria and Acidobacteria. A core microbial community was identified as belonging to all cork oak forests, namely Tomentella for ECM community and Acidothermus, Afipia and Sphingomonas for bacterial community. Both microbiomes clustered according to three bioclimate groups, humid, sub-humid and semi-arid/arid climates, although clustering was more evident for bacterial communities. When considering individual climate variables, bacterial and ECMF communities presented an opposite behavior. While ECMF occurrence was promoted by precipitation and impaired by temperature, bacteria presented the exact opposite trend. Correlations between ECM and mycorrhiza helper bacteria (MBH) communities revealed that Russula/Bacillus and Russula/Streptomyces interaction could play a potential role for cork oak drought stress acclimation. To the best of our knowledge, this work comprises the most complete survey of cork oak microbiomes at different landscapes. A set of microbial interactions were suggested that could push forward future research on cork oak forests for preventing further drought stress consequences.

A floresta Mediterrânica está classificada como um dos principais pontos de conservação de biodiversidade. Estes ecossistemas estão atualmente ameaçados por períodos de seca prolongada, que serão intensificados com as alterações climáticas previstas. O sobreiro (Quercus suber L.) é uma espécie arbórea, de folhagem persistente, distribuída na bacia do Mediterrâneo, que tem um importante impacto socio-económico na Península Ibérica. As florestas de Q. suber estão distribuídas em diferentes sistemas florestais que variam, desde florestas com alta densidade de árvores (400 árvores/ha, sobreirais), até paisagens tipo-savana com 60-100 árvores/ha (montados). Apesar de bem adaptado à estação seca de Verão, o aumento da temperatura e a diminuição da precipitação registados estão a pôr em perigo a sustentabilidade das florestas de sobro. Neste contexto, a comunidade microbiana, nomeadamente a comunidade ectomicorrizica e bacteriana, podem desempenhar um papel essencial na adaptação e tolerância do sobreiro à secura. Neste projecto de doutoramento, foram consideradas sete florestas de sobreiro, de cinco locais geográficos diferentes, em diferentes sistemas florestais e de acordo com um gradiente de disponibilidade de água. A comunidade ectomicorrízica (ECM) foi avaliada por barcoding enquanto a comunidade bacteriana foi analisada através de metabarcoding (sequenciação Illumina MiSeq). A comunidade ECM é predominantemente dominada por Basidiomycota, enquanto a comunidade bacteriana é altamente enriquecida em Proteobacteria, Actinobacteria e Acidobacteria. A comunidade microbiana comum a todas as florestas de sobreiro envolve Tomentella na comunidade ECM e Acidothermus, Afipia e Sphingomonas na comunidade bacteriana. Ambos os microbiomas agruparam de acordo com três grupos bioclimáticos, húmido, sub-húmido e semiárido/ árido, embora o agrupamento das comunidades bacterianas fosse mais evidente. Ao considerar variáveis climáticas individuais, as comunidades bacterianas e fungos ectomicorrízicos apresentaram um comportamento oposto. Embora a ocorrência de fungos ectomicorrízicos tenha sido promovida pela precipitação e prejudicada pela temperatura, as bactérias apresentam a tendência exactamente oposta. As correlações entre ECM e as bactérias auxiliares de micorrizas revelam que a interacção entre Russula/Bacillus e Russula/Streptomyces pode desempenhar um eventual papel na aclimatação do sobreiro ao stresse hidrico. De acordo com o nosso conhecimento, este trabalho compreende a análise mais completa dos microbiomas de sobreiro em diversos regimes florestais. Um conjunto de interacções microbianas são sugeridas tendo em conta futuras linhas de investigação de forma a prevenir consequências negativas do stresse hídrico no normal desenvolvimento do sobreiro.