Fungal Communities in Boreal Forest Soils: The Effect of Disturbances, Seasons and Soil Horizons

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4573-4
Title: Fungal Communities in Boreal Forest Soils: The Effect of Disturbances, Seasons and Soil Horizons
Author: Santalahti, Minna
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Microbiology
Doctoral Programme in Microbiology and Biotechnology
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentariae, Biologicae. Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-5431
Abstract: Boreal forest soils store a significant amount of carbon and function as a terrestrial net sink in the global carbon cycle. Soil microbes perform essential ecological functions by cycling nutrients and decomposing organic matter. Fungi are the predominant decomposers and central to the turnover of carbon and nitrogen in boreal forest soils. The production of various extracellular enzymes allows fungi unique access to soil organic nitrogen that is bound to recalcitrant soil organic matter. As nitrogen is typically the growth limiting factor, almost all plants in boreal areas are mycorrhizal. This mycorrhizal symbiosis improves the access of plants to nitrogen, nutrients and water in the soil, and in turn, plants deliver large quantities of photosynthetically fixed carbon to mycorrhizal fungi. The main objectives of this thesis were to investigate soil fungal communities and some of their functions seasonally and vertically in different soil horizons and in relation to the disturbances of forest fire and reindeer grazing. The studies were conducted in three main ecosystem stations in Hyytiälä, Sodankylä and Värriö, in southern and northern boreal Scots pine forests. The fungal communities and some of their functions were analyzed using high-throughput sequencing technology (454-pyrosequencing) combined with the identification of potential gene functions using the GeoChip 4.0 microarray and extracellular enzyme activity measurements. The results showed that fungal communities were in general species-rich across the studied areas, and the species richness was higher in southern compared to northern boreal forest soils. Fungal communities were clearly stratified by soil horizons. Saprotrophic and ascomycete fungi dominated the upper most litter horizon, whereas the abundance of ectomycorrhizal and basidiomycete fungi increased in lower organic and mineral soil horizons. Fungal communities shifted drastically and rapidly in time, as saprotrophic fungi dominated the communities in late winter and were quickly replaced by ectomycorrhizal fungi at the beginning of the growing season. Fungal communities were remarkably stable during the entire growing season and were dominated by ectomycorrhizal basidiomycete fungi. Forest fire altered fungal communities and their potential gene functions significantly. Alpha diversity was highest in the recently burned site (two years after fire), and ascomycete and saprotrophic fungi dominated the communities. The diversity decreased with time since fire, with basidiomycete and ectomycorrhizal fungi dominating the communities in the older burned sites. Fungal diversity correlated positively with functional gene diversity, indicating that higher microbial diversity supports higher genetic potential for maintaining crucial biochemical reactions in soils. Reindeer grazing also had a significant effect on soil fungal community structure, the abundance of certain genera and species, and litter degradation related enzyme activities. With longer time scales, grazing may affect litter decomposition through changes in fungal communities and their corresponding enzyme activities. In northern boreal forest soils, fungal communities were, in general, sensitive to the disturbances. The effect was most drastic immediately after the disturbance. However, soil fungal communities were slowly able to adapt to the changing conditions and displayed signs of recovery from the disturbances in the course of around hundred years. Some generalist species were more resistant to the disturbances than others. Many abundant generalist fungi, such as the genera Cortinarius, Lactarius, Suillus and Piloderma were detected in all studied successional stages, treatments and sites, although their relative abundances varied. Successional shifts were also observed among ectomycorrhizal families, as fungi from the family Atheliaceae dominated the communities in young and mid-aged forests sites, and fungi from the family of Cortinariaceaea increased in abundance over time and dominated in the old-growth forest sites.Pohjoiset havumetsät varastoivat maaperäänsä merkittäviä määriä hiiltä, toimien samalla maailmanlaajuisen hiilen kierron nieluna. Mikrobit vastaavat välttämättömistä ekologisista toiminnoista maaperässä, kuten ravinteiden kierrättämisestä ja orgaanisen aineksen hajotuksesta. Sienet ovat tärkeimpiä hajottajia ja keskeisiä erityisesti hiilen ja typen kierrolle maaperässä. Sienet tuottavat monia solunulkoisia entsyymejä, joiden ansiosta niillä on erityinen pääsy maan orgaaniseen typpeen, joka on sitoutuneena hankalapääsyiseen maan orgaaniseen ainekseen. Typpi on usein kasvien kasvua rajoittava tekijä, minkä takia lähes kaikki kasvit muodostavat sienijuurisymbiooseja pohjoisissa havumetsissä. Sienijuurisymbioosi parantaa kasvin pääsyä maaperän hankalapääsyiseen typpivarastoon, ravinteisiin ja veteen. Tämän väitöskirjan päätavoitteina oli tutkia maaperän sieniyhteisöjä ja niiden toimintaa kuukausittain eri maakerroksissa, sekä suhteessa erilaisiin häiriöihin, kuten metsäpaloon ja porolaidunnukseen. Tutkimukset tehtiin kolmella ekosysteemiasemalla Hyytiälässä, Sodankylässä ja Värriössä, etelä- ja pohjoisboreaalisissa mäntymetsissä. Sieniyhteisöjä sekä niiden toimintaa tutkittiin uuden sukupolven sekvensointi-menetelmillä (454 syväsekvensointi), yhdistettynä mahdollista geenitoimintaa mittavaan GeoChip 4.0 -mikrolastumenetelmään sekä solunulkoisten entsyymien aktiivisuus-määrityksiin. Tulokset osoittivat, että sieniyhteisöt olivat yleisesti lajirunsaita kaikilla tutkituilla aloilla, ja lajien runsaus oli suurempaa eteläboreaalisessa metsämaassa verrattuna pohjoisboreaalisiin metsämaihin. Sieniyhteisöt olivat selkeästi kerrostuneita maaperän eri kerroksiin. Saprotrofiset hajottajasienet sekä kotelosienet olivat yleisimpiä maaperän ylimmässä karikekerroksessa, kun taas sienijuurisienet ja kantasienet olivat yleisimpiä alemmissa orgaanisissa kerroksissa sekä mineraalimaassa. Sieniyhteisöjen rakenne muuttui nopeasti ja merkitsevästi ajallisesti: hajottajasienet hallitsivat yhteisöjä myöhäistalvella, mutta kasvukauden alkaessa sienijuurisienet muuttuivat nopeasti hallitseviksi lajeiksi. Kasvukauden aikana sieniyhteisön rakenne oli huomattavan vakaa ja pintasienijuurisienet ja kantasienet hallitsivat yhteisöjä. Metsäpalon havaittiin muuttavan sieniyhteisön rakennetta ja mahdollista geenitoimintaa merkitsevästi. Sienten monimuotoisuus oli suurin nuorimmalla paloalalla kaksi vuotta metsäpalon jälkeen, ja yhteisöä hallitsivat kotelosienet sekä hajottajasienet. Sienten monimuotoisuus väheni ajan kuluessa metsäpalosta, ja kantasienet ja pintasienijuurisienet alkoivat hallita sieniyhteisöjä vanhemmilla paloaloilla. Sienten monimuotoisuus korreloi positiivisesti sienten toiminnallisen monimuotoisuuden kanssa, viitaten että suurempi sienten monimuotoisuus turvaa suuremman geneettisen potentiaalin hoitaa välttämättömiä biokemiallisia reaktioita maaperässä. Myös porolaidunnus vaikutti merkitsevästi maaperän sieniyhteisön rakenteeseen, tiettyjen lajien ja sukujen esiintyvyyteen sekä karikkeen hajotukseen liittyvien solunulkoisten entsyymien aktiivisuuteen. Pidemmällä aikavälillä porolaidunnus voi vaikuttaa karikkeen hajotukseen muuttamalla sieniyhteisön rakennetta sekä sienten tuottamien entsyymien aktiivisuutta. Pohjoisboreaalisissa metsämaissa sieniyhteisöjen havaittiin olevan herkkiä metsän häiriöille. Vaikutus oli kaikkein merkittävin heti häiriön jälkeen. Sieniyhteisöt pystyivät kuitenkin hiljalleen sopeutumaan muuttuneisiin olosuhteisiin sekä palautumaan hiljalleen häiriöstä, ainakin sadan vuoden aikaikkunalla. Joidenkin yleislajien havaittiin olevan kestävämpiä häiriöitä vastaan kuin toisten. Esimerkiksi seitikki, rousku, voitatti sekä kultaorvakka -sukujen sieniä havaittiin aina kaikilla tutkituilla aloilla, eri maakerroksista ja sukkession vaiheisista metsistä, vaikka niiden suhteelliset osuudet vaihtelivat. Pintasienijuurisienillä havaittiin myös heimotasolla sukkessiovaihtelua siten, että Atheliaceae-heimon sienet hallitsivat nuoria ja keski-ikäisiä metsiköitä, kun taas Cortinariaceae-heimon sienet hallitsivat vanhoja metsiköitä.
URI: URN:ISBN:978-951-51-4573-4
http://hdl.handle.net/10138/246107
Date: 2018-10-26
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
fungalco.pdf 3.139Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record