In en rond de verwarde wortels van de bosbodem, schimmels en bacteriën groeien met bomen, het uitwisselen van voedingsstoffen voor koolstof in een enorme, wereldwijde marktplaats. Een nieuwe poging om de meest voorkomende van deze symbiotische relaties in kaart te brengen - waarbij meer dan 1,1 miljoen bosgebieden en 28, 000 boomsoorten - heeft factoren onthuld die bepalen waar verschillende soorten symbionten zullen gedijen. Het werk kan wetenschappers helpen begrijpen hoe symbiotische partnerschappen de bossen in de wereld structureren en hoe ze kunnen worden beïnvloed door een opwarmend klimaat.

Onderzoekers van Stanford University werkten samen met een team van meer dan 200 wetenschappers om deze kaarten te genereren. gepubliceerd op 16 mei in Natuur . Van het werk, ze onthulden een nieuwe biologische regel, die het team Read's Rule noemde naar pionier in symbiose-onderzoek Sir David Read.

In een voorbeeld van hoe ze dit onderzoek zouden kunnen toepassen, de groep gebruikte hun kaart om te voorspellen hoe symbiose tegen 2070 zou kunnen veranderen als de koolstofemissies onverminderd doorgaan. Dit scenario resulteerde in een reductie van 10 procent in de biomassa van boomsoorten die associëren met een type schimmel dat vooral in koelere streken voorkomt. De onderzoekers waarschuwden dat een dergelijk verlies zou kunnen leiden tot meer koolstof in de atmosfeer, omdat deze schimmels de neiging hebben om de hoeveelheid koolstof die in de bodem wordt opgeslagen te vergroten.

"Er zijn maar zoveel verschillende symbiotische soorten en we laten zien dat ze zich aan duidelijke regels houden, " zei Brian Steidinger, een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford en hoofdauteur van het artikel. "Onze modellen voorspellen enorme veranderingen in de symbiotische toestand van de bossen in de wereld - veranderingen die van invloed kunnen zijn op het soort klimaat waarin je kleinkinderen zullen leven."

Drie symbiose

Verborgen voor de meeste waarnemers, deze inter-koninkrijk samenwerkingen tussen microben en bomen zijn zeer divers. De onderzoekers richtten zich op het in kaart brengen van drie van de meest voorkomende soorten symbiose:arbusculaire mycorrhiza-schimmels, ectomycorrhiza-schimmels en stikstofbindende bacteriën. Elk van deze typen omvat duizenden soorten schimmels of bacteriën die unieke samenwerkingsverbanden vormen met verschillende boomsoorten.

Dertig jaar geleden, Read tekende met de hand kaarten van waar hij dacht dat verschillende symbiotische schimmels zouden kunnen leven, op basis van de voedingsstoffen die ze leveren. Ectomycorrhiza-schimmels voeden bomen stikstof rechtstreeks uit organisch materiaal, zoals rottende bladeren, dus, hij stelde voor, ze zouden meer succes hebben op koelere plaatsen waar de ontbinding traag is en bladafval overvloedig is. In tegenstelling tot, hij dacht dat arbusculaire mycorrhiza-schimmels zouden domineren in de tropen waar de groei van bomen wordt beperkt door bodemfosfor. Onderzoek door anderen heeft toegevoegd dat stikstofbindende bacteriën slecht lijken te groeien bij lage temperaturen.

Het testen van de ideeën van Read moest wachten, echter, omdat bewijs het verzamelen van gegevens van grote aantallen bomen in verschillende delen van de wereld vereiste. Die informatie kwam beschikbaar met het Global Forest Biodiversity Initiative (GFBI), die bossen onderzocht, bossen en savannes van elk continent (behalve Antarctica) en ecosystemen op aarde.

Het team voerde de locatie van 31 miljoen bomen uit die database samen met informatie over welke symbiotische schimmels of bacteriën het vaakst met die soorten associëren in een leeralgoritme dat bepaalde hoe verschillende variabelen zoals klimaat, bodemchemie, vegetatie en topografie lijken de prevalentie van elke symbiose te beïnvloeden. Van dit, ze ontdekten dat stikstofbindende bacteriën waarschijnlijk worden beperkt door temperatuur en zuurgraad van de bodem, terwijl de twee soorten schimmelsymbiose sterk worden beïnvloed door variabelen die de afbraaksnelheid beïnvloeden - de snelheid waarmee organisch materiaal in het milieu wordt afgebroken - zoals temperatuur en vocht.

"Dit zijn ongelooflijk sterke wereldwijde patronen, even opvallend als andere fundamentele mondiale biodiversiteitspatronen die er zijn, " zei Kabir Peay, assistent-professor biologie aan de School of Humanities and Sciences en senior auteur van de studie. "Maar vóór deze harde gegevens, kennis van deze patronen was beperkt tot experts in mycorrhiza- of stikstoffixeerecologie, hoewel het voor een groot aantal ecologen belangrijk is, evolutionaire biologen en aardwetenschappers."

Hoewel het onderzoek de hypothese van Read ondersteunde - het vinden van arbusculaire mycorrhiza-schimmels in warmere bossen en ectomycorrhiza-schimmels in koudere bossen - waren de overgangen tussen biomen van het ene symbiotische type naar het andere veel abrupter dan verwacht, gebaseerd op de geleidelijke veranderingen in variabelen die de ontbinding beïnvloeden. Dit ondersteunt een andere hypothese, de onderzoekers dachten:dat ectomycorrhiza-schimmels hun lokale omgeving veranderen om de afbraaksnelheid verder te verminderen.

Deze feedbacklus kan helpen verklaren waarom de onderzoekers de 10 procent reductie in ectomycorrhiza-schimmels zagen toen ze simuleerden wat er zou gebeuren als de koolstofemissies onverminderd zouden doorgaan tot 2070. Opwarmende temperaturen zouden ectomycorrhiza-schimmels over een klimaatomslagpunt kunnen dwingen, buiten het bereik van omgevingen die ze naar hun zin kunnen veranderen.

Samenwerking in kaart brengen

De gegevens achter deze kaart vertegenwoordigen echte bomen uit meer dan 70 landen en samenwerking, geleid door Jingjing Liang van Purdue University en Tom Crowther van ETH Zürich, tussen honderden onderzoekers die verschillende talen spreken, verschillende ecosystemen bestuderen en verschillende uitdagingen aangaan.

"Er zijn meer dan 1,1 miljoen bospercelen in de dataset en die zijn allemaal gemeten door een persoon op de grond. In veel gevallen als onderdeel van deze metingen, ze gaven de boom in wezen een knuffel, "zei Steidinger. "Zoveel inspanning - wandelingen, zweet, teken, lange dagen - staat op die kaart."

De kaarten uit deze studie zullen vrij beschikbaar worden gesteld, in de hoop andere wetenschappers te helpen boomsymbionten in hun werk op te nemen. In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan hun werk buiten de bossen uit te breiden en te blijven proberen te begrijpen hoe klimaatverandering ecosystemen beïnvloedt.