Bridging the roles of seed dispersal and plant mycorrhizal interactions as drivers of ecosystem structure and function

Abstract

Mutualistic interactions like those established between plants and seed dispersers or mycorrhizal fungi are key drivers of plant population dynamics and ecosystem functioning. Seed dispersal is a crucial ecosystem function that allows plants to escape high mortality rates near the parent plant, occupy newly available niches, and expand their distribution range. On the other hand, mycorrhizas are ubiquitous mutualistic interactions between fungi and plant roots, which increase the uptake of water and mineral nutrients, protect plants from herbivores and pathogens, and improve their overall fitness. Despite their importance for plant colonisation and establishment, seed dispersal and mycorrhizal interactions have rarely been explored together. Advancing our understanding of the diversity and functioning of mutualisms is particularly important in the current scenario of rapid environmental degradation because mutualism failure could accelerate the effects of global change on biodiversity loss and ecosystem disruption. Thus, the main goal of this thesis was to explore the potential synergies and trade-offs between two essential mutualisms for plant recruitment, mycorrhizas and seed dispersal, and their joint implications for species distribution and ecosystem functioning. Different approaches were used: large community-level field studies, a review and analysis of information from large databases, laboratory work and greenhouse experiments. Ecological networks were used to evaluate the effectiveness of ecological restoration and to explore the intricacies between below- and aboveground interactions using data from Gorongosa National Park – Mozambique (hereafter Gorongosa), a tropical region of high biological and ecological diversity yet poorly studied. Seed dispersal has severely deteriorated in many ecosystems due to the current defaunation crisis. Despite this, there is virtually no information on how large-scale refaunation efforts can effectively reinstate seed dispersal service. A clear case of defaunation occurred in Gorongosa where a long-lasting war drove most large animals to the verge of extinction until a restoration project was initiated in 2004. One of the key actions of this project was the construction of a large (c. 62 km2) fenced area to protect wildlife from poachers and predators. Taking advantage of this unique experimental setting, it was evaluated whether the restoration of large animal populations inside this wildlife sanctuary was capable of simultaneously reinstating the key function of seed dispersal, required for long-term forest resilience. Quantitative seed dispersal networks inside and outside the sanctuary were built by combining morphological and molecular tools. Results revealed a higher richness of dispersers inside the sanctuary that translates into a more diverse, larger and more complex seed-dispersal network. Interestingly, the seed dispersal function inside the wildlife sanctuary was mostly driven by the build-up of larger populations of dispersers, rather than by the presence of unique disperser species inside the sanctuary. After seeds are dispersed to favourable recruitment sites, other interactions become equally important for germination and establishment, in particular, the symbiotic associations established with mycorrhizal fungi. Thus, seed dispersal and mycorrhizal interactions were jointly explored, for the first time, in the same ecosystem and under the same framework. A tripartite interaction network encompassing the interactions between seed dispersers, plants and arbuscular mycorrhizal (AM) fungi, was assembled using data from Gorongosa to explore potential interdependences between above- and belowground plant mutualists. No evidence for these potential links was found, as neither the number of partners nor plant selectivity for seed dispersers and mycorrhizal fungi were correlated. Additionally, the composition of AM fungal communities did not differ significantly between biotically and abiotically dispersed plant species. Altogether, these results suggest that plant interactions with seed dispersers and mycorrhizal fungi are largely independent and that plants seem to associate mostly with widespread abundant AM fungi. However, this result does not exclude possible evolutionary trade-offs between seed dispersal syndromes and plant-mycorrhizal status. This possibility was tested by evaluating jointly the mycorrhizal status and type and long-distance dispersal (LDD) syndromes for c.2000 European plant species, using phylogenetically corrected log-linear models. This analysis showed that having specialised structures for LDD is more frequent in obligate mycorrhizal plants than in non-mycorrhizal plants, suggesting that the lack of compatible mutualists does not constrain the investment in LDD structures, at least in the European flora. This positive association between obligate mycorrhizas and LDD syndromes was mainly driven by the higher proportion of ectomycorrhizal plant species with specialised structures for wind dispersal, which is also the main dispersal vector for many ectomycorrhizal fungi. Surprisingly, non-mycorrhizal plants showed a lower investment in specialised structures for seed dispersal, which might be explained by their high habitat specificity. In a nutshell, this study suggests that strategies for LDD are not constrained by the need of finding suitable mycorrhizal fungi, likely due to the low specificity of the symbiosis and the ubiquity of mycorrhizal fungi. As mycorrhizal symbiosis is established right after seed germination, the simultaneous dispersal of seeds and their compatible fungal partners could represent a significant advantage for expanding species ranges, particularly for obligatory mycorrhizal plant species. Therefore, the potential role of birds, essential dispersers for many plant species, as co-dispersers of seeds and AM fungal spores, the most common type of mycorrhiza was studied. Although no spores were directly observed, an experiment carried out under axenic conditions showed that seven Rubus ulmifolius seedlings obtained from four independent droppings of Erithacus rubecula and Sylvia melanocephala were colonised by AM fungi, thus demonstrating the presence of both viable seeds and fungal spores in bird droppings. This is the first report of this ecological process which can be a fundamental piece of the puzzle to understand the global distribution of mycorrhizal plants and AM fungi and the colonisation of remote territories by both. Altogether, this thesis shows a great potential for synergies and trade-offs between seed dispersal and mycorrhizal associations that clearly deserves further scrutiny in the future, with other approaches and other systems. Only by integrating knowledge from multiple ecosystem processes we can truly approximate from a mechanistic understanding of natural ecosystems that will allow designing better management plans to face the current global threats.

As interações mutualísticas, como aquelas estabelecidas entre plantas e dispersores de sementes ou fungos micorrízicos, são cruciais para a dinâmica das populações vegetais e para o funcionamento dos ecossistemas. A dispersão de sementes é uma função chave dos ecossistemas que permite às plantas evitar as altas taxas de mortalidade perto da planta-mãe, ocupar novos nichos e expandir a sua área de distribuição. Por outro lado, as micorrizas são associações mutualistas ubíquas entre certos fungos e raízes de plantas, que aumentam a absorção de água e nutrientes minerais, protegem a planta de herbívoros e patógenos, melhorando assim a sua performance. Apesar da importância da dispersão de sementes e das micorrizas para a colonização e fixação das plantas, estas interações raramente foram exploradas em conjunto. Uma maior compreensão da diversidade e funcionamento dos mutualismos é especialmente relevante no cenário atual de rápida degradação ambiental, uma vez que a falha de um mutualismo poderá acelerar os efeitos das alterações globais na perda de biodiversidade e no eventual colapso dos ecossistemas. Assim, é objectivo principal desta tese investigar as potenciais sinergias e interdependências entre estes mutualismos, dispersão de sementes e micorrizas, indispensáveis para o recrutamento e crescimento das plantas, assim como as suas implicações conjuntas para a distribuição das espécies e funcionamento dos ecossistemas. Para tal, foram utilizadas diferentes abordagens: estudos in situ ao nível da comunidade; revisão e análise de informação publicada em bases de dados; análises em laboratório e experiências em estufa. O poder informativo da análise das redes ecológicas permitiu avaliar a eficácia do restauro ecológico e também explorar a complexidade das interações com dispersores de sementes e fungos mutualistas, utilizando dados do Parque Nacional da Gorongosa - Moçambique (doravante Gorongosa), uma região tropical de elevada diversidade biológica e ecológica, porém pouco estudada. O serviço de dispersão de sementes tem vindo a deteriorar-se gravemente em muitos ecossistemas devido à atual crise de defaunação. No entanto, há muito pouca informação sobre como os esforços de refaunação em larga escala podem efetivamente restabelecer o serviço de dispersão de sementes. Um exemplo representativo de defaunação ocorreu na Gorongosa, onde uma longa guerra civil levou a maioria dos animais de grande porte à beira da extinção, até se ter iniciado em 2004 um projeto de restauro ecológico. Uma das principais ações deste projeto foi a implementação de uma grande área vedada (c. 60km2) com o objectivo de proteger a vida selvagem de caçadores furtivos e predadores. No primeiro capítulo tirou-se partido deste contexto experimental único para avaliar se o restauro das populações de grandes mamíferos dentro deste santuário de vida selvagem era capaz de restabelecer simultaneamente a função de dispersão de sementes, indispensável para a manutenção da resiliência florestal a longo prazo. Redes quantitativas de dispersão de sementes foram construídas dentro e fora do santuário, através da combinação de técnicas morfológicas e moleculares. Os resultados revelaram uma maior riqueza de dispersores dentro do santuário, o que se traduziu também numa rede de dispersão de sementes mais diversificada, maior e mais complexa. Curiosamente, a função de dispersão de sementes dentro do santuário foi impulsionada principalmente pela maior densidade das populações de dispersores, e não pela presença de dispersores únicos dentro do santuário. Após a dispersão das sementes para locais de recrutamento propícios, tornam-se igualmente importantes outras interações para a sua germinação e estabelecimento, em particular, as associações simbióticas estabelecidas com fungos micorrízicos. Assim, as duas interações, dispersão de sementes e micorrizas, foram exploradas conjuntamente, pela primeira vez, no mesmo ecossistema e sob a mesma abordagem. Foi construída uma rede de interações tripartida englobando as interações entre dispersores de sementes, plantas e fungos micorrízicos arbusculares (AM) com o objectivo de explorar possíveis interdependências entre estes mutualistas à superfície e no subsolo, utilizando dados da Gorongosa. Não foram encontradas evidências para essas ligações, pois nem o número de parceiros mutualísticos nem a seletividade das plantas, relativamente aos dispersores de sementes e fungos micorrízicos, estavam correlacionados. Além disso, a composição das comunidades de fungos AM não diferiu significativamente entre as espécies de plantas dispersas bioticamente e as dispersas abioticamente. Em conjunto, estes resultados sugerem que as plantas interagem com os dispersores de sementes e fungos micorrízicos de forma largamente independente e que se associam principalmente com fungos AM abundantes e ubíquos. Contudo, estes resultados não excluem possíveis interferências evolutivas entre os síndromes de dispersão de sementes e a condição micorrízica das plantas. Esta possibilidade foi testada através de uma avaliação integrada da condição e tipo de micorriza e dos síndromes de dispersão de longa distância (LDD) para c. 2000 espécies da Flora Europeia, por intermédio de modelos log-lineares corrigidos filogeneticamente. Os resultados mostraram que ter estruturas especializadas para LDD é mais frequente em plantas micorrízicas obrigatórias do que em plantas não micorrízicas, sugerindo que a falta de mutualistas compatíveis não limita o investimento em estruturas LDD, pelo menos na Flora Europeia. Essa associação positiva entre micorrizas obrigatórias e síndromes de LDD deveu-se principalmente a uma maior proporção de espécies de plantas ectomicorrízicas com estruturas especializadas para a dispersão por vento, que também é o principal vetor de dispersão para muitos fungos ectomicorrízicos. Surpreendentemente, plantas não-micorrízicas mostraram um menor investimento em estruturas especializadas para dispersão de sementes, o que pode ser explicado pela sua elevada especificidade de habitat. Em suma, este estudo sugere que as estratégias para LDD não são limitadas pela necessidade de encontrar fungos micorrízicos adequados, provavelmente devido à baixa especificidade da simbiose e à ubiquidade dos fungos micorrízicos. Como a simbiose micorrízica é estabelecida logo após a germinação das sementes, a dispersão simultânea das sementes e dos seus parceiros fúngicos compatíveis pode representar uma vantagem significativa para as espécies em crescimento, particularmente para as espécies de plantas micorrízicas obrigatórias. Foi então estudado o papel potencial das aves, principais dispersores para muitas espécies de plantas, como co-dispersores de sementes e esporos de fungos AM, o tipo mais comum de micorrizas. Embora os esporos não tenham sido diretamente observados nos excrementos analisados, uma experiência realizada em condições estéreis mostrou que sete plântulas de Rubus ulmifolius, obtidas de quatro excrementos independentes de Erithacus rubecula e Sylvia melanocephala, foram colonizadas por fungos AM, demonstrando a presença de sementes e esporos fúngicos viáveis em excrementos de aves. Esta é a primeira descrição deste processo ecológico que pode ser uma peça fundamental para entender a distribuição global de plantas micorrízicas e de fungos AM e principalmente a colonização de territórios remotos por ambos. No conjunto, esta tese revela um grande potencial para sinergias entre a dispersão de sementes e as associações micorrízicas, que claramente merecem uma análise mais aprofundada, com recurso a outras abordagens e sistemas. Só a integração do conhecimento dos múltiplos processos ecológicos possibilitará uma compreensão holística do funcionamento dos ecossistemas naturais, o que por sua vez permitirá responder de uma forma mais efetiva às atuais ameaças globais.