Post-fire restoration of soil microbial communities in a Quercus suber population

Abstract

Wildfires cause disturbances with huge impact on Portuguese cork oak forests. Due to the production of cork, Quercus suber L. trees are recognized to be well-adapted to fires occurrence and to high temperatures. However, cork oak sustainability is also largely dependent on soil microbial communities, such as the presence of ectomycorrhizal fungi or rhizobacteria. In this work, the effects of temperature on cork oak soil microbial communities was studied, as well as the ecological restoration of Quercus suber forests after a wildfire episode. An evaluation of soil microbial specific death rate was performed using temperature assays (50ºC to 125ºC) on soils collected from cork oak trees. The most temperature resistant bacteria were identified by sequencing. Results revealed an increase of microbial death specific rate with temperature. Bacterial communities were more heat sensitive than fungi, as their survival is probably ensured by spore production. Accordingly, spore-forming bacteria such as Bacillus spp were identified as the most heat resistant bacteria. In addiction bacterial community analysis by a metabarcoding approach revealed high abundance of Firmicutes (Bacillus) on soil samples subjected at 100ºC for 15 and 30 min. Furthermore, these results provided a prediction of what could happen to bacterial communities after a wildfire in cork oak forests. Taking advantage from the natural occurrence of a natural wildfire in Santa Marta das Cortiças (Braga), cork oak soil microbial communities were surveyed using a metabarcoding approach. Soil samples from nine trees with three different types of fire damage (burnt, half-burnt and non-burnt) were collected, and bacterial community compared along time. Results revealed that from 5- to 18-months post-fire, there are differences on the composition of bacterial communities. A higher incidence of gram-negative bacteria (Proteobacteria), followed by Acidobacteria, Actinobacteria and Chloroflexi were always found for all cork oak soils. The variation on microbial communities among fire-affected soils is explained by differences on soil chemical composition, fire intensity and edaphoclimatic factors.

Os incêndios florestais causam distúrbios com enorme impacto nas florestas portuguesas de sobreiro. Devido à presença de cortiça, os sobreiros (Quercus suber L.) são reconhecidos como estando bem-adaptados à ocorrência de incêndios e a altas temperaturas. Contudo, a sustentabilidade das florestas de sobreiro também depende em grande parte das comunidades microbianas do solo, como seja a presença de fungos ectomicorrízicos ou rizobactérias. Neste trabalho, os efeitos da temperatura nas comunidades microbianas dos solos de sobreiro foram avaliados, bem como a restauração ecológica das florestas de Quercus suber após um episódio de incêndio florestal. A avaliação da taxa específica de morte microbiana foi realizada recorrendo a ensaios de temperatura (50ºC a 125ºC) efetuados com solos de sobreiro. A identificação das bactérias mais resistentes ao calor foi efetuada com auxílio a métodos de identificação molecular. Os resultados revelaram um aumento da taxa específica de morte microbiana com a temperatura, em que as comunidades bacterianas revelaram ser mais sensíveis ao calor que os fungos, provavelmente devido à produção de esporos. De acordo com este resultado, bactérias formadoras de esporos, tal como Bacillus spp foram identificadas como sendo as mais resistentes ao calor. Além disso, a análise da comunidade bacteriana por metabarcoding revelou uma elevada abundância de Firmicutes (Bacillus) em amostras de solo submetidas a 100ºC por 15 e 30 min. Estes resultados fornecem assim uma previsão do que poderá acontecer às comunidades bacterianas após um incêndio nas florestas de sobreiro. Aproveitando a ocorrência natural de um incêndio em Santa Marta das Cortiças (Braga), as comunidades microbianas presentes em solos de sobreiro foram analisadas por metabarcoding. Colheram-se amostras de solo de nove árvores, diferenciadas pelos danos causados pelo fogo (queimadas, semi-queimadas e não-queimadas). A comunidade bacteriana foi comparada ao longo do tempo e os resultados revelaram que, de 5 a 18 meses após o incêndio, existiram diferenças na composição das comunidades bacterianas. Os solos de sobreiro apresentaram sempre uma elevada abundância de bactérias gram-negativas (Proteobacteria), seguidas de Acidobacteria, Actinobacteria e Chloroflexi. A variação do microbioma entre os solos afetados é explicada pelas diferenças na composição química do solo, intensidade com que o fogo atingiu os solos de sobreiro e fatores endafoclimáticos.