Disentangling the key drivers of mountain soil microbial taxonomic diversity, composition and activity along a temperate elevational gradient

In the context of global climate change, ecological processes and services provided and mediated by soil microbes in alpine mountain ecosystems are at risk, because they are highly sensitive to warming. However, the influence and effect that biotic and abiotic elevation-related factors exert on microbial community structure and functioning in a complex, heterogeneous soil environment is still poorly understood. In this study, microbial community structure (i.e., composition and diversity) and microbial global catabolic activity (i.e., microbial activity) and catabolic diversity (i.e., functional diversity) beneath three plant species (Vaccinium myrtillus, Juniperus communis and Picea abies), that structure local plant communities, in bulk and rhizospheric soils along an elevational gradient (1400 - 2400 m a.s.l.) in the French Alps were investigated. To better understand the effect and relationships of biotic and abiotic elevation-related factors, the relationships between abiotic (soil properties and climatic variables) and biotic factors (vegetation diversity and belowground plant traits) were examined. Microbial community structure was assessed using Next Generation Sequencing Illumina Miseq, while microbial global catabolic activity and diversity were measured using multiple substrate-induced respiration (MSIR). Morphological and chemical traits of mixtures of roots in bulk soil and of individual plants were measured. Results showed a peak in nutrient content at lower elevations before declining at higher elevations. Plant diversity was greater at mid-elevation. Microbial taxonomic diversity in bulk soil did not differ along the elevational gradient, but in the rhizosphere of V. myrtillus, an increase in taxonomic diversity occurred at increasing elevation. On the other hand, microbial functional diversity did not present any change in either bulk or rhizospheric soils along the elevational gradient. The most abundant bacterial phyla detected for both bulk and rhizospheric soil under the influence of the three structuring plant species were Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria, and Verrucomicrobia, but bacterial phyla did not display a clear distribution pattern and no significant differences were found at the phylum level along the elevation gradient or between bulk and rhizospheric soils under any of the three structuring plant species. For fungi, dominant phyla were Ascomycota and Basidiomycota, displaying contrasting distribution patterns between bulk and rhizospheric soils. Overall, this study demonstrated that microbial community structure depends intimately on soil location (bulk or rhizosphere soil) and elevation, whilst revealing a non-prominent role of plant species identity in shaping microbial communities. Finally, we found that changes in bacterial and fungal communities in bulk soil were more related to soil physical and chemical environment while shifts in bacterial and fungal communities in the rhizosphere were more related to plant species identity and root system traits. Regarding global catabolic activity, findings showed that at lower elevations, global catabolic activity in the rhizosphere was greater than in bulk soil, but converged in the nutrient-poor, colder soils found at higher elevations, although changes in catabolic diversity were negligible. Results show that climate and the soil physical and chemical properties are the main drivers of microbial activity and functioning, but that vegetation refines these relationships, probably through root exudation, root chemical composition and changes in litter production affecting soil carbon.


Dans le contexte du changement climatique global, les processus et services écologiques fournis et médiés par les microbes du sol dans les écosystèmes des montagnes alpines sont en danger, car ils sont très sensibles au réchauffement. Cependant, l'influence et l'effet que les facteurs biotiques et abiotiques liés à l'altitude exercent sur la structure et le fonctionnement de la communauté microbienne dans un environnement de sol complexe et hétérogène sont encore mal compris. Dans cette étude, la structure de la communauté microbienne (la composition et la diversité) et l'activité catabolique globale microbienne (l'activité microbienne) et la diversité catabolique (la diversité fonctionnelle) sous trois espèces végétales (Vaccinium myrtillus, Juniperus communis et Picea abies), qui structurent les communautés végétales locales, dans le « bulk soil » et sol rhizosphériques le long d'un gradient d'altitude (1400 - 2400 m a.s.l.) dans les Alpes françaises ont été étudiées. Pour mieux comprendre l'effet et les relations des facteurs biotiques et abiotiques liés à l'altitude, les relations entre les facteurs abiotiques (propriétés du sol et variables climatiques) et biotiques (diversité de la végétation et caractéristiques des plantes souterraines) ont été examinées. La structure de la communauté microbienne a été évaluée en utilisant le séquençage de nouvelle génération Illumina Miseq, tandis que l'activité catabolique globale et la diversité microbienne ont été mesurées en utilisant la respiration induite par des substrats multiples (MSIR). Les caractéristiques morphologiques et chimiques des mélanges de racines dans le « bulk soil » et des plantes individuelles ont été mesurées. Les résultats ont montré un pic dans la teneur en nutriments à des altitudes plus basses avant de décliner à des altitudes plus élevées. La diversité des plantes était plus grande à moyenne altitude. La diversité taxonomique microbienne dans le « bulk soil » n'a pas différé le long du gradient d'altitude, mais dans la rhizosphère de V. myrtillus, une augmentation de la diversité taxonomique s'est produite à mesure que l'altitude augmentait. D'autre part, la diversité fonctionnelle microbienne n'a présenté aucun changement dans le « bulk soil » ou dans la rhizosphère le long du gradient d'altitude. Les phyla bactériens les plus abondants détectés pour les « bulk soil » et les sols rhizosphériques sous l'influence des trois espèces végétales structurantes étaient les Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria et Verrucomicrobia, mais les phyla bactériens n'ont pas montré un modèle de distribution clair et aucune différence significative n'a été trouvée au niveau du phylum le long du gradient d'élévation ou entre les « bulk soil » et les sols rhizosphériques sous l'une des trois espèces végétales structurantes. Pour les champignons, les phyla dominants étaient Ascomycota et Basidiomycota, montrant des modèles de distribution contrastés entre les « bulk soil » et les sols rhizosphériques. Dans l'ensemble, cette étude a démontré que la structure de la communauté microbienne dépend intimement de l'emplacement du sol (« bulk soil » ou rhizosphère) et de l'altitude, tout en révélant un rôle non prédominant de l'identité des espèces végétales dans la formation des communautés microbiennes. Enfin, nous avons constaté que les changements dans les communautés bactériennes et fongiques dans le « bulk soil » étaient davantage liés à l'environnement physique et chimique du sol, tandis que les changements dans les communautés bactériennes et fongiques dans la rhizosphère étaient davantage liés à l'identité des espèces végétales et aux caractéristiques du système racinaire. En ce qui concerne l'activité catabolique globale, les résultats ont montré qu'à des altitudes plus basses, l'activité catabolique globale dans la rhizosphère était plus importante que dans le « bulk soil », mais qu'elle convergeait dans les sols pauvres en nutriments et plus froids que l'on trouve à des altitudes plus élevées, bien que les changements dans la diversité catabolique soient négligeables. Les résultats montrent que le climat et les propriétés physiques et chimiques du sol sont les principaux moteurs de l'activité et du fonctionnement microbiens, mais que la végétation affine ces relations, probablement par l'exsudation des racines, la composition chimique des racines et les changements dans la production de litière affectant le carbone du sol.

Composition du Jury / Jury composition :
Alexia Stokes, DR, UMR AMAP CIRAD, Montpellier - Directrice de Thèse
Guillermo Angeles, INECOL, Mexico - Directeur de Thèse
Melanie Roy, UMI IFAECI/CNRS-CONICET-UBA-IRD, Argentina - Rapporteur
Carlos Martorell, UNAM, Facultad de Ciencias, Mexico - Rapporteur
Philippe Choler, CNRS, Université de Grenoble, France - Examinateur
Stephan Hättenschwiler, CEFE, CNRS, Montpellier, France - Examinateur
Luis Merino-Martin, ESCET/ Univ. Rey Juan Carlos, Spain - Invité
Frederique Reverchon, INECOL, Mexico - Invité