Application of the theory of island biogeography to soil microorganisms using the example of riparian forest fragments in urban areas

Mikroorganizmy glebowe pełnią kluczowe funkcje w ekosystemach lądowych, jednak czynniki kształtujące ich różnorodność i strukturę pozostają słabo poznane. W niniejszym badaniu szukano odpowiedzi na pytanie, czy na zespoły mikroorganizmów glebowych może oddziaływać wielkość (powierzchnia) siedliska, podobnie jak makroorganizmy, co jest jednym z najważniejszych mechanizmów kształtującym różnorodność biologiczną. W tym celu badano różnorodność i skład bakterii glebowych w płatach roślinności o charakterze łęgów, o zróżnicowanej powierzchni, tworzących izolowane wyspy w środowisku miejskim miasta Krakowa. Do oceny różnorodności bakterii glebowych wykorzystano wysokoprzepustowe sekwencjonowanie regionu V3–V4 genu 16S rRNA. Zebrano także dane na temat czynników potencjalnie mogących wpłynąć na bakterie glebowe, jak charakterystyka roślinności, szczegółowe analizy fizykochemiczne gleby, a także ogólna aktywność mikrobiologiczna. Stosując regresje wieloczynnikowe wykazano, że wielkość płatu nie wpływała na różnorodność bakterii typu alfa (bogactwo gatunkowe R i wskaźnik Shannona H’), natomiast te zmienne były dodatnio skorelowane z pH gleby (R, H’), procentową zawartością fosforu w glebie (R, H’), a także z udziałem frakcji ilastej w składzie granulometrycznym gleby (H’). Z kolei analiza kanoniczna korespondencji wskazała, że różnorodność beta (udział 15 najważniejszych typów bakterii w próbie gleby) była determinowana przez powierzchnię płatów, a także przez pokrycie roślinnością oraz liczbę gatunków roślin runa, oraz właściwości gleby: pH, zawartość fosforu i zawartość iłu. Wyniki wspierają założenia teorii biogeografii wysp i podkreślają znaczenie lokalnych warunków siedliskowych dla kształtowania mikrobiomu glebowego. Praca wskazuje na istotną rolę miejskich lasów łęgowych jako rezerwuarów ukrytej bioróżnorodności i stabilności mikrobiologicznej gleby w krajobrazie zurbanizowanym.

Soil microorganisms play key role in terrestrial ecosystems, yet the factors that shape their diversity and community structure remain poorly understood. This study aimed to determine whether, similarly to macroorganisms, the size (area) of a habitat can influence soil microbial communities, which is known as a fundamental mechanism shaping biodiversity. To this end, the diversity and composition of soil bacteria were investigated in patches of riparian vegetation of various sizes that formed isolated islands within the urban environment of Kraków, Poland. High-throughput sequencing of the bacterial V3–V4 region of the 16S rRNA gene was used alongside the collection of data on factors potentially affecting soil bacteria, such as vegetation characteristics, detailed physicochemical soil analyses, and general microbiological activity.Using multiple regression analyses, it was shown that patch size did not influence alpha diversity of bacteria (species richness R and Shannon index H’). Instead, these metrics were positively correlated with soil pH (R, H’), phosphorus content (R, H’), and the proportion of clay particles in the soil texture (H’). In turn, canonical correspondence analysis indicated that beta diversity (the composition of the 15 most abundant bacterial taxa in the soil samples) was influenced by patch size, and also by vegetation cover, the number of understory plant species, as well as soil properties: pH, phosphorus content, and clay content. These results support the assumptions of island biogeography theory and highlight the importance of local habitat conditions in shaping the soil microbiome. The study emphasizes the crucial role of urban riparian forests as reservoirs of hidden biodiversity and microbiological stability in the urban landscapes.