Rapid temperature adaptation of exotic, tropical soil microbial communities after incubation in a temperate grassland during winter
(2024) BION02 20231Degree Projects in Biology
- Abstract
- Soil microorganisms sequester carbon through growth and release it into the atmosphere through respiration. Climate change predictions suggest that high latitude ecosystems will be particularly affected by rising temperatures, and temperature is one of the main environmental factors regulating microbial activity in soils. Thus, understanding how microbial activity will be affected in temperate ecosystems, with long periods of low temperatures, is important for climate predictions. Microbial thermal traits shift with warming, but the effect of cold temperatures is less investigated. To understand if microbial communities can adapt to colder environments, we conducted a cooling experiment on tropical soils from six different elevations in a... (More)
- Soil microorganisms sequester carbon through growth and release it into the atmosphere through respiration. Climate change predictions suggest that high latitude ecosystems will be particularly affected by rising temperatures, and temperature is one of the main environmental factors regulating microbial activity in soils. Thus, understanding how microbial activity will be affected in temperate ecosystems, with long periods of low temperatures, is important for climate predictions. Microbial thermal traits shift with warming, but the effect of cold temperatures is less investigated. To understand if microbial communities can adapt to colder environments, we conducted a cooling experiment on tropical soils from six different elevations in a temperate ecosystem during winter. Temperature dependence was determined before and after incubation in temperate conditions to be able to detect legacy effects from the origins of the soil. Temperatures at the end of incubation increased to levels above the origin of the soils, resulting in more warm adapted microbial growth temperature dependences after incubation. In conclusion, warm adaptation can occur quickly and (i) the legacy of the soils affects the shift in thermal traits, (ii) higher temperatures can indirectly affect microbial activity, due to quicker decomposition rates and (iii) species sorting is likely the mechanism behind the shift in thermal traits. How a changing climate will affect soil microorganisms is a complex matter, which needs to be further investigated to improve climate predictions. Here we found that a theoretical 80% shift in the bacterial community could account for a 55% change in the Tmin-value. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Mikrobers snabba värmeanpassning
Mikroorganismer i jorden reglerar kolcykeln genom att binda kol när de växer, samtidigt som de frigör kol under andra mikrobiella processer. Mikrobers aktivitet regleras till stor del av temperatur och ett föränderligt klimat kan mikrobers aktivitet påverkas. Tidigare studier har funnit att mikrobiella samhällen snabbt anpassar sig till högre temperaturer, samtidigt vet man inte hur kallare klimat (till exempel vinterperioder) påverkar mikrobers temperaturanpassningar. Vi testade hur jordmikrober påverkas av kallare temperaturer genom att utsätta tropiska mikrobiella samhällen för tempererade förhållanden under vintern.
Bakgrund
Mikrobers temperaturberoende påverkas både direkt och indirekt av... (More) - Mikrobers snabba värmeanpassning
Mikroorganismer i jorden reglerar kolcykeln genom att binda kol när de växer, samtidigt som de frigör kol under andra mikrobiella processer. Mikrobers aktivitet regleras till stor del av temperatur och ett föränderligt klimat kan mikrobers aktivitet påverkas. Tidigare studier har funnit att mikrobiella samhällen snabbt anpassar sig till högre temperaturer, samtidigt vet man inte hur kallare klimat (till exempel vinterperioder) påverkar mikrobers temperaturanpassningar. Vi testade hur jordmikrober påverkas av kallare temperaturer genom att utsätta tropiska mikrobiella samhällen för tempererade förhållanden under vintern.
Bakgrund
Mikrobers temperaturberoende påverkas både direkt och indirekt av temperatur, då temperatur också kan påverka andra viktiga faktorer såsom vatten- och resurstillgänglighet. Det direkta eller ”inneboende” temperaturberoendet för mikrober kan uppskattas med hjälp av Ratkowsky-modellen. Med modellen kan man uppskatta värden av Tmin som representerar minimitemperaturen för mikrobiell aktivitet (här tillväxt och respiration). Mikrobers temperaturanpassning beror på deras hemmahörande miljöer och mikrober från kalla miljöer har ofta låga Tmin-värde i jämförelse med mikrober från varma miljöer. Flera studier har funnit att ett mikrobiellt samhälles Tmin-värde kan öka när mikroberna blir utsatt för högre temperaturer, de blir alltså snabbt anpassade till varmare klimat. Hur säsongsskillnader i tempererade områden påverkar mikrobers temperaturberoende har tidigare studerats, och slutsatsen har varit att den varmaste säsongen (sommaren) avgör hur mikrober från tempererade områden förhåller sig till temperatur, medan den kalla säsongen inte påverkar temperaturanpassningen.
Indirekta effekter av temperatur kan också påverka den mikrobiella aktiviteten. Andra miljöfaktorer varierar med säsongsvis och kan påverka hastigheten av mikrobiell aktivitet. Höga temperaturer ökar till exempel nedbrytningshastigheten av organiskt material och skulle kunna leda till snabbare utarmning av resurser. Indirekta effekter kan studeras genom att jämföra hastigheten av en mikrobiell aktivitet efter att det mikrobiella samhället utsatts för olika behandlingar.
Experimentell design
För att undvika arvet av tidigare säsonger hos mikrober i tempererade områden, och enbart studera effekten av kallare temperaturer, flyttades tropiska jordar från sex olika altituder i en altitudgradient i Costa Rica till ett tempererat område under vintern. Varje altitud representerade ett mikrobiellt samhälle anpassade till specifika temperaturer (hög altitud - låg temperatur och vice versa). Experimentet innehöll två kylningsbehandlingar med olika intensitet för att se om graden av nedkylning påverkade mikrobernas förmåga att anpassa sig till kallare temperaturer, samtidigt som de olika behandlingarna också möjliggjorde en jämförelse av hur hastigheten av mikrobiella aktiviteter varierar i olika temperaturer.
Hypoteser
Vi ville förstå (i) Hur påverkar intensiteten av nedkylning mikrobers aktivitet? och (ii) Påverkar mikrobernas ursprungsmiljö hur de anpassar sig till nya temperaturer? Vi förväntade oss (i) Intensiteten av nedkylning i de två behandlingarna kommer indirekt påverka den mikrobiella aktiviteten, där den mindre intensiva nedkylningen leder till snabbare nedbrytning och utarmning av resurser (ii) Mikrobers ursprung påverkar hur deras temepraturberoenden förändras efter behandlingarna, där mikrober från höga altituder har lägre Tmin-värden efter inkubationstiden i jämförelse med mikrobiella samhällen från låga altituder.
Resultat
Graden av nedkylning påverkade mikrobernas aktivitet indirekt. I den mildare nedkylningen hade mikrober från låga altituder lägre tillväxthastighet än de i den intensiva (kallare) nedkylningsbehandlingen. Troligtvis berodde detta på en snabbare nedbrytningsprocess av organiskt material i den varmare behandlingen. Studien resulterade också i något oväntat. Mikrobernas temperaturberoenden var mer värmeanpassade efter inkubationstiden än innan, d.v.s. Tmin-värdena var högre efter inkubationstiden. Även om medeltemperaturen för både den intensiva och milda kylningsbehandlingen var lägre än temperaturerna i altitudgradienten, så översteg temperaturerna i slutet av inkubationstiden de högsta temperaturerna i Costa Rica. Förmodligen har de höga temperaturerna resulterat i att värmeanpassade taxa börjat dominera medan mer kallanpassade taxa inte klarat av den hastiga temperaturökningen. Detta i sin tur ledde till förändrade temperaturberoenden.
Slutsats
Mikrober påverkas både indirekt och direkt av temperatur. Här påverkades mikroberna indirekt av högre temperaturer, troligtvis på grund av snabbare nedbrytning i den mildare kylningsbehandlingen. Vi kunde också dra slutsatsen att arvet av tidigare klimat påverkar hur mikrobers temperaturanpassning förändras när de utsätts för nya temperaturer. Slutligen såg vi att mikrobiella samhällen värmeanpassar sig snabbt, och de snabba skiften kan troligtvis förklaras av en förändring i de mikrobiella samhällenas sammansättning, något som behöver testas med en analys av den mikrobiella samhällsstrukturen. Dessa slutsatser är viktiga för att bättre förutse hur mikroorganismers interaktioner med omgivningen kommer att påverkas av framtida klimatförändringar.
Masterexamensprojekt i Biologi, 45 hp 2023
Biologiska institutionen, Lunds universitet
Handledare: Johannes Rousk, Mikrobiell Ekologi (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9146711
- author
- Gredeby, Alice
- supervisor
- organization
- course
- BION02 20231
- year
- 2024
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- language
- English
- id
- 9146711
- date added to LUP
- 2024-01-24 13:18:59
- date last changed
- 2024-01-24 13:18:59
@misc{9146711,
abstract = {{Soil microorganisms sequester carbon through growth and release it into the atmosphere through respiration. Climate change predictions suggest that high latitude ecosystems will be particularly affected by rising temperatures, and temperature is one of the main environmental factors regulating microbial activity in soils. Thus, understanding how microbial activity will be affected in temperate ecosystems, with long periods of low temperatures, is important for climate predictions. Microbial thermal traits shift with warming, but the effect of cold temperatures is less investigated. To understand if microbial communities can adapt to colder environments, we conducted a cooling experiment on tropical soils from six different elevations in a temperate ecosystem during winter. Temperature dependence was determined before and after incubation in temperate conditions to be able to detect legacy effects from the origins of the soil. Temperatures at the end of incubation increased to levels above the origin of the soils, resulting in more warm adapted microbial growth temperature dependences after incubation. In conclusion, warm adaptation can occur quickly and (i) the legacy of the soils affects the shift in thermal traits, (ii) higher temperatures can indirectly affect microbial activity, due to quicker decomposition rates and (iii) species sorting is likely the mechanism behind the shift in thermal traits. How a changing climate will affect soil microorganisms is a complex matter, which needs to be further investigated to improve climate predictions. Here we found that a theoretical 80% shift in the bacterial community could account for a 55% change in the Tmin-value.}},
author = {{Gredeby, Alice}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Rapid temperature adaptation of exotic, tropical soil microbial communities after incubation in a temperate grassland during winter}},
year = {{2024}},
}