Dentro e intorno alle radici intricate del suolo della foresta, funghi e batteri crescono con gli alberi, scambiare nutrienti per carbonio in un vasto, mercato globale. Un nuovo sforzo per mappare la più abbondante di queste relazioni simbiotiche, coinvolgendo più di 1,1 milioni di siti forestali e 28, 000 specie di alberi, ha rivelato fattori che determinano dove fioriranno i diversi tipi di simbionti. Il lavoro potrebbe aiutare gli scienziati a capire come i partenariati simbiotici strutturano le foreste del mondo e come potrebbero essere influenzate dal riscaldamento climatico.

I ricercatori della Stanford University hanno lavorato insieme a un team di oltre 200 scienziati per generare queste mappe, pubblicato il 16 maggio in Natura . Dal lavoro, hanno rivelato una nuova regola biologica, che il team ha chiamato Read's Rule in onore del pioniere nella ricerca sulla simbiosi Sir David Read.

In un esempio di come potrebbero applicare questa ricerca, il gruppo ha usato la propria mappa per prevedere come le simbiosi potrebbero cambiare entro il 2070 se le emissioni di carbonio non dovessero diminuire. Questo scenario ha portato a una riduzione del 10% della biomassa delle specie arboree che si associano a un tipo di funghi che si trovano principalmente nelle regioni più fredde. I ricercatori hanno avvertito che una tale perdita potrebbe portare a più carbonio nell'atmosfera perché questi funghi tendono ad aumentare la quantità di carbonio immagazzinata nel suolo.

"Esistono solo così tanti tipi diversi di simbiotici e stiamo dimostrando che obbediscono a regole chiare, " ha detto Brian Steidinger, un ricercatore post-dottorato a Stanford e autore principale dell'articolo. "I nostri modelli prevedono enormi cambiamenti allo stato simbiotico delle foreste del mondo, cambiamenti che potrebbero influenzare il tipo di clima in cui vivranno i tuoi nipoti".

Tre simbiosi

Nascosto alla maggior parte degli osservatori, queste collaborazioni tra i regni tra microbi e alberi sono molto diverse. I ricercatori si sono concentrati sulla mappatura di tre dei tipi più comuni di simbiosi:funghi micorrizici arbuscolari, funghi ectomicorrizici e batteri azotofissatori. Ciascuno di questi tipi comprende migliaia di specie di funghi o batteri che formano partnership uniche con diverse specie di alberi.

Trenta anni fa, Read ha disegnato mappe a mano di dove pensava potessero risiedere diversi funghi simbionti, in base ai nutrienti che forniscono. I funghi ectomicorrizici alimentano l'azoto degli alberi direttamente dalla materia organica, come le foglie in decomposizione, quindi, lui propose, avrebbero più successo in luoghi più freschi dove la decomposizione è lenta e la lettiera è abbondante. In contrasto, pensava che i funghi micorrizici arbuscolari avrebbero dominato nei tropici dove la crescita degli alberi è limitata dal fosforo del suolo. La ricerca di altri ha aggiunto che i batteri che fissano l'azoto sembrano crescere male a temperature fresche.

Testare le idee di Read ha dovuto aspettare, però, perché la prova richiedeva la raccolta di dati da un gran numero di alberi in diverse parti del globo. Tali informazioni sono diventate disponibili con la Global Forest Biodiversity Initiative (GFBI), che ha censito le foreste, boschi e savane di ogni continente (eccetto l'Antartide) ed ecosistema della Terra.

Il team ha fornito la posizione di 31 milioni di alberi da quel database insieme alle informazioni su quali funghi o batteri simbionti si associano più spesso a quelle specie in un algoritmo di apprendimento che ha determinato come diverse variabili come il clima, chimica del suolo, la vegetazione e la topografia sembrano influenzare la prevalenza di ciascuna simbiosi. Da questa, hanno scoperto che i batteri che fissano l'azoto sono probabilmente limitati dalla temperatura e dall'acidità del suolo, considerando che i due tipi di simbiosi fungine sono fortemente influenzati da variabili che influenzano i tassi di decomposizione, la velocità con cui la materia organica si scompone nell'ambiente, come la temperatura e l'umidità.

"Questi sono modelli globali incredibilmente forti, tanto sorprendenti quanto altri modelli fondamentali di biodiversità globale là fuori, " disse Kabir Peay, assistente professore di biologia presso la Scuola di Scienze Umane e Scienze e autore senior dello studio. "Ma prima di questi dati concreti, la conoscenza di questi modelli era limitata agli esperti in ecologia delle micorrize o dei fissatori di azoto, anche se è importante per una vasta gamma di ecologisti, biologi evoluzionisti e scienziati della terra".

Sebbene la ricerca abbia supportato l'ipotesi di Read - trovare funghi micorrizici arbuscolari nelle foreste più calde e funghi ectomicorrizici nelle foreste più fredde - le transizioni tra i biomi da un tipo simbiotico a un altro sono state molto più brusche del previsto, sulla base dei cambiamenti graduali delle variabili che influenzano la scomposizione. Ciò supporta un'altra ipotesi, i ricercatori hanno pensato:che i funghi ectomicorrizici modificano il loro ambiente locale per ridurre ulteriormente i tassi di decomposizione.

Questo ciclo di feedback può aiutare a spiegare perché i ricercatori hanno visto la riduzione del 10% dei funghi ectomicorrizici quando hanno simulato cosa accadrebbe se le emissioni di carbonio continuassero senza sosta fino al 2070. Le temperature di riscaldamento potrebbero costringere i funghi ectomicorrizici a superare un punto critico climatico, oltre la gamma di ambienti che possono alterare a loro piacimento.

Collaborazione di mappatura

I dati alla base di questa mappa rappresentano alberi reali provenienti da più di 70 paesi e collaborazioni, guidato da Jingjing Liang della Purdue University e Tom Crowther dell'ETH Zürich, tra centinaia di ricercatori che parlano lingue diverse, studiare ecosistemi diversi e affrontare sfide diverse.

"Ci sono più di 1,1 milioni di aree forestali nel set di dati e ognuna di queste è stata misurata da una persona a terra. In molti casi, come parte di queste misurazioni, essenzialmente hanno abbracciato l'albero, " disse Steidinger. "Quanta fatica, escursioni, sudore, zecche, lunghe giornate, è in quella mappa."

Le mappe di questo studio saranno rese disponibili gratuitamente, nella speranza di aiutare altri scienziati a includere i simbionti degli alberi nel loro lavoro. Nel futuro, i ricercatori intendono espandere il loro lavoro oltre le foreste e continuare a cercare di capire come il cambiamento climatico influisca sugli ecosistemi.