Dynamics of mediterranean temporary ponds plant communities and potential impacts of climate change [Dinamismo delle comunità vegetali di pozze temporanee mediterranee e potenziali impatti dei cambiamenti climatici]

Mediterranean temporary ponds (MTPs) are ephemeral wetlands characterized by seasonal hydrological regimes and a highly adapted flora, dominated by ephemeral species that rely on seeds both for overcoming the summer desiccation of the habitat and to regenerate the plant communities at the onset of autumn precipitations. In this habitat, seed dormancy and germination are finely tuned to environmental cues such as temperature, light, water availability, and oxygen levels, allowing plant populations to persist across years despite strong seasonal and interannual variability. In this PhD thesis, the seed regeneration niche of MTPs plant species is investigated by integrating laboratory experiments and ecological modelling to assess the role of key environmental factors in regulating seed dormancy and germination. The hypothesis tested are: (i) two Ranunculus species from MTPs differ in their dormancy classes and germination niches; (ii) seed germination traits vary along a small scale plant zonation, typical of the habitat; (iii) hypoxia plays a key role in regulating germination and secondary dormancy, even (iv) enhancing the germination performance of the rare and endangered Elatine gussonei; (v) dormancy cycling and seed bank persistence underpins interannual regeneration of MTPs ephemeral plant communities and, finally, (vi) climate change will shift germination timing altering environmental cues that triggers germination. The results revealed significant interspecific variation in germination niches, including the importance of hypoxia tolerance, light sensitivity, alternating temperature preference, and after-ripening in many species. Morphophysiological dormancy was shown to limit germination under hypoxic conditions in certain Ranunculus species, while hypoxia was not a limiting factor for the germination of many other species. Dormancy cycling in some species emerged as a crucial mechanism for avoiding unfavourable spring germination, which would expose seedlings to the summer dry season. Modelling germination under climate change scenarios suggests that increased temperature and reduced precipitation may alter germination timing, but without significant effects. Most MTPs species indeed retain a broad temperature window for germination after primary dormancy release in summer, making rainfall the main driver of germination in the field. Overall, this study highlights how germination traits contribute to both intra- and inter-annual vegetation dynamics in MTPs and underscores the germination plasticity of these species under changing climatic conditions. However, future research on post-germination seedling survival is crucial to fully understand recruitment success in these increasingly threatened habitats.

Le pozze temporanee mediterranee (Mediterranean Temporary Ponds, MTPs) sono zone umide effimere caratterizzate da regimi idrologici stagionali e da una flora altamente specializzata, dominata da specie effimere che fanno affidamento sui semi sia per superare la disseccazione estiva dell’habitat, sia per rigenerare le comunità vegetali con l’inizio delle precipitazioni autunnali. In questo habitat, la dormienza e la germinazione dei semi sono finemente adattate a rispondere a segnali ambientali quali temperatura, luce, disponibilità idrica e livelli di ossigeno, permettendo alle popolazioni vegetali di persistere negli anni nonostante l’elevata variabilità stagionale e interannuale. In questa tesi di dottorato, la nicchia di rigenerazione tramite seme delle specie vegetali delle MTPs viene studiata integrando esperimenti di laboratorio e modellizzazione ecologica, al fine di valutare il ruolo dei principali fattori ambientali nel regolare la dormienza e la germinazione. Le ipotesi testate sono: (i) due specie di Ranunculus provenienti da MTPs differiscono nelle loro classi di dormienza e nelle loro nicchie di germinazione; (ii) i tratti di germinazione variano lungo una zonazione vegetale di piccola scala, tipica dell’habitat; (iii) l’ipossia svolge un ruolo chiave nel regolare la germinazione e l'innesco di un dormienza secondaria, (iv) migliorando persino le performance germinative della rara e minacciata Elatine gussonei; (v) i cicli di dormienza e la persistenza della banca dei semi del suolo sostengono la rigenerazione interannuale delle comunità vegetali effimere delle MTPs e, infine, (vi) il cambiamento climatico sposterà il timing di germinazione alterando i segnali ambientali che la innescano. I risultati hanno rivelato una significativa variabilità interspecifica nelle nicchie di germinazione, evidenziando l’importanza della tolleranza all’ipossia, della sensibilità alla luce, della preferenza per temperature alternate e dell’after-ripening in molte specie. È emerso che la dormienza morfofisiologica limita la germinazione in condizioni ipossiche in alcune specie del genere Ranunculus, mentre l’ipossia non rappresenta un fattore limitante per la germinazione di molte altre specie. In alcune specie i cicli di dormienza si sono rivelati un meccanismo cruciale per evitare la germinazione primaverile, dato che questa esporrebbe le plantule alla stagione secca estiva. La modellizzazione della germinazione sotto scenari di cambiamento climatico suggerisce che l’aumento delle temperature e la riduzione delle precipitazioni potrebbero modificare il timing di germinazione, ma senza effetti rilevanti. La maggior parte delle specie delle MTPs, infatti, mantiene un ampio intervallo termico per la germinazione dopo il rilascio della dormienza primaria in estate, rendendo le precipitazioni il principale fattore che determina la germinazione in campo. Nel complesso, questo studio evidenzia come i tratti di germinazione contribuiscano alle dinamiche vegetazionali sia intra- che interannuali nelle MTPs e mette in luce la plasticità germinativa di queste specie in condizioni climatiche mutevoli. Tuttavia, future ricerche sulla sopravvivenza delle plantule saranno fondamentali per comprendere appieno il successo del rinnovamento della vegetazione in questi habitat sempre più minacciati.