Investigating the role of biotic interactions in determining the degree of local adaptation and thus the potential response of plants to climate change

Abstract

Efficiently predicting the response of plant species to climate is one priority issue of present research, especially for Eastern Mediterranean systems, which according to predictions will be subject to increasing aridity. Current predictions on future species response to the expected change though are based on abiotic factors and virtually neglect the role of biotic interactions. The present thesis investigated the combined effect of climate, soil abiotic properties and biotic interactions on plant populations and community performance and potentially on their response to climate change. Firstly, the performance of plant species was investigated in the field performing a reciprocal seed sowing and soil transplant experiment combined with neighbour treatments between two sites along an aridity gradient. Four species were chosen in order to investigate species-specific effects. Secondly, a similar experiment was performed under controlled conditions with an additional soil treatment to tease apart the effects of soil abiotic properties and soil biota on plants. Thirdly, the change in species composition and richness of the communities emerging from transplanted soils under different climatic conditions were investigated in order to predict potential directions of community shifts under changed climate. The study was based on an integrated approach in which two types of biotic interactions that have been so far addressed separately were combined and analyzed jointly. By focusing on different spatial scales we were able to single out the driving factors and the main forces at play at the level of species and communities. Furthermore, by integrating field and greenhouse experiments it was possible to analyze how different levels of stress can act as a lever on the relative importance of abiotic factors vs. biotic interactions. Our overall findings show the prominence of biotic interactions over climatic factors and suggest that in the short term plant species might be able to successfully buffer the expected climate change. Nonetheless climate acted as a filter on the outcome of biotic interactions suggesting a complex interplay between biotic and abiotic factors. Namely, under more stressful conditions abiotic factors might override the effect of biotic interactions, whereas under low stress neighbours and soil biota effect might have a higher importance on plant fitness. Similarly, at the community level, soil was the main determinant of species composition and the effect of climate was ancillary. Although a shift in species richness and community composition was observed, it is suggested that species might be able to withstand the predicted change as long as wetter years are periodically occurring. In synthesis, this thesis presents a novel approach to the study of species adaptive potential showing that predictions on population and community response to future climate that rely on climate alone will be mostly inaccurate.

Eine effiziente Vorhersage über die Reaktion von Pflanzenarten auf den Klimawandel ist ein vorrangiges Problem der gegenwärtigen Forschung, vor allem für die östliche Mittelmeerregion, die Prognosen zufolge einer zunehmenden Trockenheit unterworfen sein wird. Aktuelle Vorhersagen über die künftige Reaktion der Arten auf eine erwartete Veränderung basieren allerdings hauptsächlich auf abiotischen Faktoren und vernachlässigen fast vollständig die Rolle von biotischen Interaktionen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkungen von Klima, abiotischen Bodeneigenschaften und biotischen Interaktionen auf die potentielle Reaktion von Pflanzenpopulationen und –gemeinschaften auf den Klimawandel. Zunächst wurden and zwei Standorten entlang eines Trockenheitsgradienten reziproke Aussaatexperimente mit Bodentransplantationen und Nachbarmanipulationen kombiniert, um die jeweilige Leistung der Pflanzenarten im Feld zu untersuchen. Hierfür wurden vier Arten wurden ausgewählt, um artspezifische Effekte zu evaluieren. Als nächstes wurde unter kontrollierten Bedingungen ein ähnliches Experiment mit einer zusätzlichen Behandlung des Bodens durchgeführt, um den abiotischen vom biotischen Effekt des Bodens auf die Pflanzen zu trennen. Schließlich wurden die Veränderung der Artenzusammensetzung und des Artenreichtum der Pflanzengemeinschaften aus transplantierten Böden unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen untersucht, um die Richtung der möglichen Verschiebung von Pflanzengemeinschaften in einem sich veränderndem Klima vorherzusagen. Die Studie basiert auf einem integrierten Ansatz, in welchem zwei Typen von biotischen Interaktionen, die bisher getrennt behandelt wurden, kombiniert und gemeinsam ausgewertet wurden. Durch die Berücksichtigung unterschiedlicher räumlicher Skalen konnten wir die wichtigsten Einflussfaktoren auf Populations- und Gemeinschaftsebene isolieren. Die Verknüpfung von Feld- und Gewächshausexperimenten erlaubte darüber hinaus, die indirekte Wirkung unterschiedlicher Stresslevels auf die relative Bedeutung abiotischer Faktoren gegenüber biotischen Interaktionen zu analysieren. Unsere Gesamtergebnisse weisen biotischen Interaktionen eine dominierende Rolle im Vergleich mit klimatischen Faktoren zu und legen nahe, dass Pflanzenarten auf kurze Sicht fähig sind den Folgen des Klimawandels erfolgreich zu widerstehen. Dennoch wirkte das Klima über die Beeinflussung von biotischen Interaktionen indirekt auf die Pflanzen. Genauer gesagt kann der Effekt biotischer Interaktionen durch stressreiche abiotische Faktoren aufgehoben werden, während unter stressärmeren Bedingungen der Effekt von Nachbarn und Bodenorganismen wichtiger für die Fitness der Pflanze ist. Die untergeordnete Rolle von klimatischen Faktoren zeigte sich auch auf Gemeinschaftsebene, wo der Boden ausschlaggebend für die Artzusammensetzung. Obwohl eine gewisse Veränderung des Artenreichtums und der Artenzusammensetzung mit dem Klima beobachtet wurde, ist anzunehmen, dass Arten dem Klimawandel widerstehen können, solange feuchte Jahre regelmäßig auftreten. Zusammenfassend stellt diese Arbeit einen neuartigen Ansatz zur Erforschung des Anpassungspotentials von Arten dar und zeigt auf, wie die obigen Erkenntnisse in Vorhersagen über Populations- und Gemeinschaftsreaktionen auf das zukünftige Klima einbezogen werden können.