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Las comunidades microbianas del suelo y el funcionamiento de los ecosistemas de alta montaña mediterráneas

Autores: Alba Gutiérrez Girón(UCM), Rosario Gavilán García (UCM) y Agustín Rubio Sánchez (UPM)


La comunidades microbianas del suelo determinan el funcionamiento de los ecosistemas terrestres

Con frecuencia en los ecosistemas terrestres los procesos que suceden en la superficie del suelo y los que suceden en el interior del suelo han sido estudiados por separado. Sin embargo, ambos componentes de los ecosistemas son interdependientes y sus relaciones determinan el funcionamiento y propiedades de los ecosistemas (Wardle et al. 2004). Las plantas producen el carbono (C) orgánico necesario para los microorganismos del suelo (hongos y bacterias fundamentalmente), mientras que los microorganismos alteran y mineralizan la materia orgánica vegetal e indirectamente afectan a la productividad y composición de las comunidades vegetales al condicionar la tasa de renovación de nutrientes en el suelo. En un contexto de cambio global el papel de la microbiota del suelo en el reciclado de la materia orgánica es trascendental. Los suelos constituyen uno de los principales reservorios de C del planeta dado que se estima que el C orgánico del suelo representa aproximadamente el doble del C que se acumula en la atmósfera y en la vegetación terrestre (Schimel 1995). Por ello, un incremento de las temperaturas o un cambio en la composición de las comunidades vegetales puede tener efectos en la actividad microbiana y, por tanto, en la mineralización de la materia orgánica del suelo,  retroalimentando el incremento de las concentraciones de CO2 atmosférico (Davidson y Janssens 2006).

La comunidad microbiana del suelo en ecosistemas de alta montaña es diversa y dinámica

En contra de lo que podríamos esperar, en ambientes aparentemente hostiles para la vida, como son los ecosistemas de alta montaña, las comunidades microbianas de sus suelos son muy abundantes y poseen una llamativa diversidad genética y funcional (Lipson et al. 2002; Nemergut et al. 2005; Lipson 2007). Debido a las condiciones tan cambiantes que se dan en los ecosistemas de alta montaña, de una estación a otra las comunidades microbianas en estos suelos muestran variaciones importantes en su abundancia, composición y funcionamiento en periodos de tiempo muy cortos (Wardle 1998). Durante el invierno y comienzo de la primavera los cambios en las comunidades microbianas están relacionados con la existencia de una capa de nieve, con ciclos de helada y deshielo del suelo, así como con la disponibilidad de fuentes de C y N. Durante el verano los cambios en la comunidad microbiana se han relacionado con procesos de interacción con las plantas, en particular con procesos de partición y competencia por los nutrientes y con cambios en la disponibilidad de las fuentes de C procedentes de las plantas a través de exudados radiculares o calidad de la hojarasca (Bardgett et al. 2005). No obstante, en ecosistemas mediterráneos la humedad de suelo disminuye drásticamente durante el verano y es de esperar que la disponibilidad de agua en el suelo determine una dinámica de las comunidades microbianas diferente a la observada en otros ecosistemas durante este periodo. Así se ha comprobado que la disponibilidad de agua determina fuertemente la actividad de la microbiota edáfica en ecosistemas mediterráneos (Reichstein et al. 2002; Rey et al. 2002); sin embargo, en suelos de alta montaña mediterránea se desconoce si los periodos de sequía afectan a la abundancia de las comunidades microbianas y cómo la falta de agua modula el reciclado de la materia orgánica.

Figura. Aspecto de los pastos de alta montaña a mediados de junio (imagen izquierda) y a comienzos de septiembre (imagen derecha) en la Sierra de Guadarrama. Vista de la Bola del Mundo (2.200 m de altitud) desde la Maliciosa.

La comunidad microbiana en ecosistemas de alta montaña mediterránea es resistente a la sequía estival

Recientemente desde el Dpto. de Biología Vegetal II de la UCM, en colaboración con el Dpto de Silvopascicultura de la UPM, hemos abordado algunas de estas cuestiones estudiando la ecología de la comunidad microbiana en comunidades vegetales de alta montaña mediterránea en la Sierra de Guadarrama (Gutiérrez-Girón et al. 2013). Los resultados obtenidos indican un funcionamiento particular de los ecosistemas de alta montaña mediterránea determinado por la sequía estival. La microbiota del suelo en estos ecosistemas es resistente a la sequía y mantiene valores altos y relativamente constantes durante el verano. La resistencia a la sequía de la comunidad microbiana conlleva que no se liberen nutrientes, ni formas lábiles de C provenientes de la lisis de los microorganismos, en un periodo en el que la actividad biológica de las plantas y microorganismos es reducida y, por tanto, la demanda de recursos es escasa. La dinámica observada de la microbiota del suelo puede suponer un mecanismo relevante para la conservación del C y de los nutrientes del suelo. Esta dinámica es muy diferente a la observada hasta ahora en ecosistemas de alta montaña de latitudes templadas donde la alternancia en la demanda de nutrientes de plantas y microorganismos se ha descrito como el principal mecanismo que determina las variaciones de la microbiota del suelo (Jaeger et al. 1998, Bardgett et al. 2005). Finalmente, ante futuros procesos de cambio climático estos resultados sugieren que las variaciones en los patrones de precipitación en ecosistemas de alta montaña mediterránea pueden alterar notablemente la dinámica estacional de las comunidades microbianas y, por tanto, la disponibilidad y conservación de las formas lábiles de C y de los nutrientes en el suelo, lo que finalmente podría tener efectos en la productividad de estos ecosistemas.

 

Referencias

 

Bardgett RD, Bowman WD, Kaufmann R, Schmidt SK (2005) A temporal approach to linking aboveground and belowground ecology. Trends Ecol Evol 20: 634-641

Davidson EA, Janssens IA. 2006. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change. Nature 440: 165-172.

Gutiérrez-Girón A, Rubio A, Gavilán RG (2013). Temporal microbial biomass and plant biomass variation during summer in a Mediterranean high-mountain dry grassland. Plant and Soil DOI 10.1007/s11104-013-1887-6

Jaeger CH, Monson RK, Fisk MC, Schmidt SK (1998) Seasonal partitioning of nitrogen by plants and soil microorganisms in an alpine ecosystem. Ecology 80: 1883-1891

Lipson DA, Schadt CW, Schmidt SK (2002) Changes in Soil Microbial Community Structure and Function in an Alpine Dry Meadow Following Spring Snow Melt. Microbial Ecol 43: 307-314

Lipson DA (2007) Relationships between temperature responses and bacterial community structure along seasonal and altitudinal gradients. Microbial Ecol 59: 418–427

Nemergut DR, Costello EK, Meyer AF, Pescador MY, Weintraub MN, Schmidt SK. 2005. Structure and function of alpine and arctic soil microbial communities. Research in Microbiology 156: 775-784

Reichstein M, Tenhunen JD, Roupsard O, Ourcival JM, Rambal S, Dore S, Valentini R. 2002. Ecosystem respiration in two Mediterranean evergreen Holm Oak forests: drought effects and decomposition dynamics. Functional Ecology 16: 27-39

Rey A, Pegoraro E, Tedeschi V, De Parri I, Jarvis PG, Valentini R. 2002. Annual variation in soil respiration and its components in a coppice oak forest in Central Italy. Global Change Biology 8: 851-866

Schimel DS. 1995. Terrestrial ecosystems and the carbon cycle. Global Change Biology 1: 77-91

Wardle DA (1998) Controls of temporal variability of the soil microbial biomass: A global-scale synthesis. Soil Biol Biochem 30: 1627-1637

Wardle DA, Bardgett RD, Klironomos JN, Setälä H, van der Putten WH, Wall DH (2004) Ecological Linkages Between Aboveground and Belowground Biota. Science 304: 1629-1633

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Dosel arbóreo, funcionalidad y tu teléfono móvil

Autor: Adrián Escribano, Facultad de Biología, Universidad Complutense de Madrid (UCM)

En el grupo de ecología evolutiva del departamento de BVI-UCM centramos la actividad en la caracterización de la estructura y la funcionalidad del dosel arbóreo de especies leñosas mediterráneas. Con el objetivo de explorar el compromiso existente entre maximizar la captación de luz para realizar la fotosíntesis y evitar exposición excesiva, hemos desarrollado una metodología  que emplea un teléfono móvil Smartphone como instrumento de medición (“Ahmes”, pendiente de patente). Mediante esta herramienta es posible caracterizar espacialmente una hoja (los ángulos foliares) y estimar su exposición potencial a la radiación directa a través de una relación trigonométrica (SAL; Granado-Yela et al. 2011).

Con esta metodología tratamos de combinar la relativa sencillez y manejabilidad que ofrecen los métodos frecuentemente empleados para medir ángulos foliares (clinómetros,  plomadas, transportadores de ángulos, brújulas,…), junto con la precisión y exactitud que ofrecen los instrumentos digitales, en una única herramienta. Entre otras prestaciones, un Smartphone es capaz de registrar su posición relativa respecto del campo magnético y gravitatorio terrestre. Esto es posible debido a que la mayor parte de teléfonos Smartphone integran entre sus sensores un acelerómetro y un magnetómetro, que permiten caracterizar la desviación de los ejes del dispositivo. Mediante una aplicación, al situar el mismo en posición paralela a una hoja haciendo coincidir la orientación del haz con la de la pantalla y el ápice con la parte superior, podemos conocer los ángulos foliares de interés y almacenarlos con una única pulsación (Figura 1).

Figura 1. Colocación del dispositivo y ángulos foliares de interés; a: desviación respecto del Norte del ápice foliar, c: desviación respecto de Norte de un vector normal al haz, r: grado de giro respecto al eje longitudinal, i: inclinación respecto a la vertical (no se muestra).

Durante el desarrollo abordamos tres etapas; calibración, validación y experiencia de uso. La etapa de calibración la realizamos en el laboratorio y en ella utilizamos un digitalizador y un soporte (diseñado junto con el taller mecánico de ciencias físicas) para evaluar la precisión y exactitud del dispositivo. La etapa de validación tuvo lugar en el Real Jardín Botánico Alfonso XIII y en ella se compararon ángulos foliares (medidos para las mismas hojas en un breve lapso) con dos metodologías distintas; los métodos tradicionales (brújula, clinómetro y nivel) y Ahmes. En la tercera etapa valoramos las ventajas e inconvenientes que ofrece la metodología durante diversas campañas de campo. La descripción detallada de las diferentes etapas y nuestra experiencia con la metodología quedan recogidas en un artículo en preparación.

a. Soporte empleado en la calibración. b. Detalle de campaña de campo Menorca 2012 (facilidad de manejo).

Ventajas y potencial

Entre las ventajas que ofrece (precisión, manejo, comodidad de transporte, autonomía, resulta relativamente económico) resaltamos; 1.- Su versatilidad, pues se presta a cubrir necesidades de diversos ámbitos, 2.- Su potencia de muestreo,  se puede combinar el uso de varios teléfonos simultáneamente y 3.- Su valor científico y educativo en diversidad de centros a escala global (es sencillo, es accesible y es asequible).

1.- A través de esta metodología no solo cubrimos nuestras necesidades experimentales sino que sentamos la base del uso de los dispositivos móviles como instrumentos para conocer la posición espacial de objetos con simetría bilateral (relativamente planos) y estimar su exposición potencial en cualquier momento del día/año y en cualquier latitud. Entre otras aplicaciones el dispositivo puede emplearse (aunque no se incluyan todas las características que compone el método) como una herramienta para la caracterización de microambientes (líquenes) o de fitoelementos: ramas, raíces aéreas, etc. Junto con otros instrumentos de medición (cinta métrica, podómetro,…) es posible localizar espacialmente unos individuos respecto de otros (relación de vecindad) así como localizar radialmente dentro de la copa otros elementos (nidos, epífitas, plagas,..) a través de ecuaciones trigonométricas sencillas. También contemplamos la caracterización espacial de superficies planas para realizar análisis de cobertura, de protección frente a la erosión o deposición/evaporación de agentes contaminantes. Las posibilidades son realmente amplias y en cualquier caso deben quedar definidas según los objetivos del usuario.

2.- A través del uso de múltiples dispositivos de manera simultánea se pueden completar campañas de muestreo ambiciosas. Un reducido número de investigadores es capaz de abarcar partes representativas del dosel en un tiempo razonable de manera eficaz. La plataforma Android (sobre la que estamos realizando la portabilidad de la aplicación también denominada Ahmes) ofrece la posibilidad de emplear la metodología con otros dispositivos (tablets) y de hacer accesible la misma a un gran número de usuarios. Entre otras prestaciones incluye además la posibilidad de conocer el estado de los sensores presentes en el dispositivo (resolución, estado de calibración). Esta función otorga cierta fiabilidad a las mediciones, tanto como si es la primera vez que usamos la aplicación pero desconocemos el estado del dispositivo, como si se ha sometido a algún tipo de estrés; mecánico, térmico…

3.- En nuestro caso disponer de un dispositivo Android (Smartphone o tablet) y una conexión puntual a internet (para descargar la aplicación) constituyen los únicos requisitos para aplicar la metodología de manera inmediata (la aplicación funciona independientemente de la conectividad telefónica o el acceso a internet). Este hecho resulta especialmente relevante cuando se han vendido cerca de 500 millones de dispositivos móviles “Smartphone” bajo este sistema en el año 2012 (IDC, Gartner). Teóricamente a finales del año 2013 un séptimo de la población mundial podría disponer de uno de estos dispositivos permitiendo a sus usuarios explorar y aplicar la metodología en sus propios diseños. A todos los niveles consideramos una gran ventaja el ofrecer una metodología para la cual el usuario ya dispone, o puede acceder, a la herramienta propuesta.

Referencias:

Granado-Yela, C., García-Verdugo, C., Carrillo, K., Rubio de Casas, R., Kleczkowski, L.A. & Balaguer, L. (2011) Temporal matching among diurnal photosynthetic patterns within the crown of the evergreen sclerophyll Olea europaea L. Plant Cell and Environment 34(5):800-10.

Editado 27/03/2014:

Se ha publicado recientemente un artículo en la revista Methods in Ecology and Evolution, disponible en la web: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/2041-210X.12141/abstract  (DOI: 10.1111/2041-210X.12141).

Autores: Escribano-Rocafort, A. G.; Ventre-Lespiaucq, A. B.; Granado-Yela, C.; López-Pintor, A.; Delgado, J. A.; Muñoz, V.; Dorado, G. A.; Balaguer, L.

 

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