Risposte funzionali delle comunità biologiche in seguito al ritiro dei ghiacciai

Climate change is causing glaciers to retreat worldwide, exposing large land surfaces that are soon colonized by several organisms, forming new biotic communities. Predicting how these ecosystems will develop is critical for anticipating drastic environmental changes and informing adaptation and mitigation strategies. Predicting future postglacial ecosystems requires a deep knowledge of the global dynamics driving the organization of biotic communities along glacier forelands. Broad-scale, multi-taxa studies investigating multiple dimensions of biodiversity of these rapidly changing environments are urgently needed. Here, I analyzed the functional responses of soil communities after glacier retreat using an innovative approach integrating environmental DNA metabarcoding with functional traits to estimate functional diversity, infer biotic interactions, and reconstruct soil food webs. The first part of the thesis focused on soil protists, an understudied but crucial component of soil communities, playing key roles in shaping biotic interactions, community assembly, and ecosystem functioning. First, I addressed the scarcity of accessible functional information, a major limitation in functional ecology, proposing a common set of 10 functional traits for soil protists. Then, I assigned the 10 traits to an environmental DNA dataset from 1251 soil samples along 46 forelands across four continents to estimate changes in functional diversity of soil protist communities after glacier retreat. Results showed that, although the overall functional diversity of protist communities increased over time since glacier retreat, phototrophic protists (i.e., algae) declined, causing a shift in the trophic composition from early to late communities, with potential cascading effects on the whole food web. In the second part, I worked at the level of the whole community, assigning traits to several other taxa from the same environmental DNA dataset to analyze the changes in the food web structure along the forelands. Results showed that food web complexity increased over time since glacier retreat, driven by higher functional diversity which enhanced food web stability through increased functional redundancy and connectance. Furthermore, although early food webs varied with local temperature, they converged to greater similarity in later communities, suggesting that ecological successions after glacier retreat tended to develop similar food webs worldwide, providing crucial information for predicting future postglacial ecosystems. In conclusion, combining environmental DNA and functional traits proved to be a valuable approach to describing community dynamics at a broad spatial scale. Overcoming the challenges related to this approach while incorporating additional methodologies and tools will help ecologists to rapidly achieve an exhaustive understanding of ecosystem dynamics following glacier retreat.

I ghiacciai si stanno ritirando in tutto il mondo a causa dei cambiamenti climatici lasciando spazio a vaste superfici deglaciate che vengono velocemente colonizzate da una grande varietà di organismi, dando origine a nuove comunità biologiche. Prevedere lo sviluppo di questi ecosistemi è essenziale per pianificare strategie di adattamento e mitigazione anticipando drastici cambiamenti ambientali. Per prevedere i futuri ecosistemi postglaciali è necessaria una conoscenza approfondita delle dinamiche globali che regolano la formazione delle comunità biotiche lungo le piane proglaciali. Per fare ciò, è urgente intraprendere studi multi-taxa su larga scala, che analizzino diverse dimensioni della biodiversità di questi ambienti in rapida trasformazione. In questa tesi ho analizzato le risposte funzionali delle comunità del suolo in seguito al ritiro dei ghiacciai tramite un approccio innovativo che integra DNA ambientale e tratti funzionali per produrre stime di diversità funzionale, inferire interazioni biotiche, e ricostruire reti trofiche. Nella prima parte della tesi mi sono concentrato sui protisti, una fondamentale ma ancora poco studiata componente delle comunità del suolo che svolge un ruolo chiave nello sviluppare interazioni con altri organismi e nel determinare il funzionamento degli ecosistemi. Per prima cosa, ho contribuito a migliore l’accessibilità delle informazioni funzionali, spesso limitata, proponendo 10 tratti funzionali per caratterizzare i protisti del suolo. In seguito, ho assegnato questi 10 tratti a un dataset di DNA ambientale derivante da 1251 campioni di suolo raccolti lungo 46 piane proglaciali in quattro diversi continenti, per stimare i cambiamenti di diversità funzionale delle comunità dei protisti in seguito al ritiro dei ghiacciai. I risultati hanno mostrato un aumento generalizzato della diversità funzionale totale dei protisti nel tempo, accompagnato da una diminuzione dei protisti fotosintetici (alghe), con conseguenti cambiamenti nella composizione trofica tra le comunità più recenti e quelle deglaciate da più tempo, con potenziali effetti a cascata su tutta la rete trofica. Nella seconda parte della tesi, ho ampliato le analisi a livello dell’intera comunità assegnando tratti funzionali a molti altri taxa compresi nel medesimo dataset di DNA ambientale, per analizzare i cambiamenti nella struttura delle reti trofiche lungo le piane proglaciali. I risultati hanno mostrato un aumento della complessità delle reti trofiche nel tempo a causa di una maggiore diversità funzionale che favorisce la stabilità delle reti trofiche tramite una maggiore connettività e ridondanza funzionale. Inoltre, nonostante le reti trofiche delle comunità recenti differiscano in base alla temperatura locale, quelle delle comunità deglaciate da più tempo convergono verso strutture simili tra di loro, suggerendo che le successioni ecologiche che si formano in seguito al ritiro dei ghiacciai tendono a sviluppare delle reti trofiche comparabili in tutto il mondo, un’informazione fondamentale per prevedere i futuri ecosistemi postglaciali. In conclusione, l’integrazione di DNA ambientale e tratti funzionali è risultata efficace per descrivere le dinamiche delle comunità del suolo ad un’ ampia scala spaziale. Affrontare le problematiche legate a questo approccio e integrarlo con altri strumenti e metodologie consentirà di ottenere rapidamente una comprensione esaustiva delle dinamiche ecologiche che caratterizzano gli ecosistemi che si sviluppano dopo il ritiro dei ghiacciai.