Clara Espinosa del Alba, Biodiversity Research Institute (IMIB, University of Oviedo – CSIC – Principality of Asturias), part of the Vegetation and Biodiversity Lab, discusses her article: Microclimatic variation regulates seed germination phenology in alpine plant communities, in English, Spanish, and Catalan.
Background
Seeds are essential for plant regeneration, but not only the quantity and quality of the seeds dictate successful survival; germination phenology (i.e., the timing of germination) is also of utmost importance, especially in seasonal climates. In some ecosystems, a mismatch between germination and favourable climatic conditions means failure for plant regeneration. Germination phenology is primarily influenced by the macroclimate, but the microclimatic conditions occurring in the centimetres of soil surrounding the seeds ultimately determine germination success. In alpine habitats, recent research has highlighted that although seed germination is driven by macroecological patterns, alpine germination strategies are regionally variable, likely because of differences in microclimatic conditions.
The experiment
In this study, we investigated how microclimatic gradients modify germination phenology to predict the resilience of alpine plant communities to climate change. Throughout a whole year, we subjected seeds of 54 species, from two communities with different macroclimates (Mediterranean and temperate), to contrasting and changing microclimatic conditions in two growth chambers, based on soil long-term field-recorded data. The first chamber mimicked windy exposed areas with a snow-free period in winter and warmer temperatures in summer (fellfield conditions); the second chamber recreated sheltered areas with lengthy snow cover in winter and cooler temperatures in summer (snowbed conditions). Moreover, with the purpose of providing a complete picture of germination phenology, we performed field experiments for a subset of species to validate the laboratory results.
Questions and hypothesis
To what extent do microclimatic conditions modulate germination phenology in alpine communities? We hypothesized that fellfield conditions would result in higher and earlier germination of seeds because of longer periods with warmer and more favourable temperatures. In contrast, snowbed conditions would result in less and later total germination because of less time with favourable temperatures and colder early season temperatures.
Key findings
The two communities had similar responses to changing microclimatic conditions. Fellfield conditions (with warmer temperatures) promoted higher and earlier germination. Strikingly, small differences of 2-3 degrees Celsius per week, accumulated throughout the year, resulted in an germination delay of 52 days (on average) in snowbed conditions, where total germination was also lower. These laboratory results were consistent with the germination phenology registered in the field experiment. We also observed some macroclimatic effects in each community, mainly corroborating the general germination syndromes described in the literature.
Implications
Under future climate warming scenarios, alpine species are expected to germinate an average of almost two months earlier. While some species might take advantage of the warmer conditions, germinating earlier and faster (such as Iberis carnosa), other species with strict cold requirements for germination (needing to experience cold and wetness before germination, such as Carex sempervirens) will likely be negatively affected. These different responses to conditions among species will likely influence community composition and local extinctions. Nevertheless, we also want to highlight the high germination plasticity observed in some of our species, an ability that may be crucial to adapting to temporal changes in climatic conditions.
Los gradientes microclimáticos regulan la fenología de la germinación en comunidades alpinas.
Introducción
Las semillas son el pilar esencial para la regeneración de las plantas, pero no solo la cantidad y calidad de las semillas dictan el éxito de la supervivencia, sino que la elección del momento oportuno para la germinación (fenología) es de vital importancia en zonas estacionales. En algunos ecosistemas, la regeneración está destinada al fracaso si no existe una sincronización apropiada entre el momento de la germinación y las condiciones climáticas más favorables. Cuando hablamos de fenología de la germinación, ésta se ve no solamente afectada por el clima general de la zona, sino también por las condiciones climáticas específicas del suelo que rodea las semillas. La temperatura y disponibilidad de agua son factores claves que controlan la germinación, y se ha visto que estos varían en gran medida, incluso a lo largo de unos pocos centímetros en zonas alpinas. Estudios recientes resaltan que, aunque existen unos patrones macroclimáticos de germinación en plantas alpinas, las estrategias específicas de germinación son muy variables probablemente debido a los gradientes microclimáticos locales.
Experimento
En este estudio, nuestro objetivo es investigar como los gradientes microclimáticos modifican la fenología de la germinación y como esto nos puede ayudar a predecir la resiliencia de las comunidades de plantas alpinas al cambio climático. A lo largo de un año sometimos semillas de 54 especies, originarias de 2 comunidades con diferente clima (Mediterráneo y templado), a dos condiciones microclimáticas contrastantes en cámaras de germinación en el laboratorio, basadas en los registros de temperatura del suelo en campo. La primera condición imita crestas expuestas con períodos sin nieve en invierno y temperaturas más cálidas en verano (referida como “fellfield”); la segunda condición imita zonas protegidas/abrigadas con un largo período de nieve y temperaturas frescas en verano (referida como “snowbed”). Además, para tener una visión más completa de la fenología de la germinación, realizamos experimentos de campo para una submuestra de las especies para validar los resultados obtenidos en el laboratorio.
Pregunta e hipótesis
Nuestra principal pregunta es, ¿hasta qué punto las condiciones microclimáticas modulan la fenología de la germinación en comunidades alpinas? Hipotetizamos que en condición de “fellfield” veríamos una germinación total más elevada y germinación más temprana debido a un período de tiempo más largo con temperaturas favorables y temperaturas más elevadas. Al contrario, en condición de “snowbed” observaríamos una germinación total más baja y germinación más tardía, debido al menor tiempo experimentado con temperaturas favorables, y a las temperaturas más bajas.
Resultados principales
Las dos comunidades alpinas mostraron respuestas similares a las condiciones microclimáticas. La condición de “fellfield” (más cálido) promovió una germinación mayor y más temprana. Pequeñas diferencias semanales de 2-3 grados Celsius, acumuladas a lo largo del año, resultaron en un importante retraso en la germinación de casi dos meses (de media) en la condición de “snowbed”, dónde también observamos una germinación más baja. Los resultados de laboratorio fueron consistentes con la fenología de la germinación que observamos en los experimentos de campo. También observamos algunas diferencias entre comunidades, corroborando los patrones generales de germinación que se describen en la literatura.
Implicaciones
En escenarios climáticos futuros más cálidos, se espera que las especies alpinas avancen su germinación, de media, casi dos meses. Mientras que algunas especies pueden verse beneficiadas por estas condiciones más cálidas, germinando antes y más rápido (como por ejemplo Iberis carnosa), otras especies que requieran condiciones más estrictas de frío, nieve y humedad para activar el proceso de germinación se verán probablemente negativamente afectadas (por ejemplo Carex sempervirens). Esto generará un cambio en la composición local de especies en comunidades alpinas y potenciales extinciones locales. Sin embargo, también queremos resaltar la gran plasticidad de la germinación que hemos observado en algunas de las especies estudiadas, una habilidad que puede ser crucial para adaptarse a nuevas condiciones climáticas.
Els gradients microclimàtics regulen la fenologia de la germinació en comunitats alpines.
Introducció
Les llavors són la pedra angular per a la regeneració de les plantes, però no només la quantitat i qualitat de les llavors dicten l’èxit de la supervivència, sinó que també l’elecció del moment més oportú per a la germinació (fenologia) és de vital importància en zones amb estacions diferenciades. En alguns ecosistemes, la regeneració està destinada al fracàs sense una sincronització apropiada entre el moment de la germinació i les condicions climàtiques més favorables. Quan parlem de fenologia de la germinació, aquesta no es veu solament afectada pel clima general de la zona, sinó també per les condicions climàtiques específiques del sòl que envolta les llavors. En zones alpines, la temperatura i disponibilitat d’aigua són els factors claus que controlen la germinació, i s’ha vist que aquests dos factors poden variar en gran manera al llarg d’uns pocs centímetres de sòl. Estudis recents ressalten que, tot i que hi ha descrits patrons macroclimàtics de germinació en plantes alpines, les estratègies específiques de germinació són molt variables probablement degut als gradients ambientals locals o condicions microclimàtiques.
Experiment
En aquest estudi, el nostre objectiu és investigar com els gradients microclimàtics modifiquen la fenologia de la germinació i com això ens pot ajudar a predir la resiliència de les comunitats de plantes alpines al canvi climàtic. Al llarg d’un any vam sotmetre les llavors de 54 espècies, originàries de dues comunitats amb climes diferents (Mediterrani i temperat), a dues condicions microclimàtiques contrastants en càmeres de germinació en el laboratori, basades en registres de temperatura del sòl al camp. La primera condició imita crestes exposades amb períodes sense neu a l’hivern i temperatures més càlides a l’estiu (anomenada com a “fellfield”); la segona condició imita zones protegides amb un llarg període de neu i temperatures fresques a l’estiu (anomenada com a “snowbed”). A més a més, per tenir una visió més completa de la fenologia de la germinació, també vam dur a terme experiments de camp per a una submostra d’espècies per validar els resultats obtinguts al laboratori.
Pregunta i hipòtesis
La nostra pregunta principal és, fins a quin punt les condicions microclimàtiques modulen la fenologia de la germinació en comunitats alpines? Vam hipotetitzar que en condició de “fellfield” veuríem una germinació total més elevada i una germinació més primerenca a causa d’un període de temps més llarg amb temperatures favorables i unes temperatures més elevades. Al contrari, en condició de “snowbed” observaríem una germinació total més baixa i més tardana, a causa del menor temps experimentat amb temperatures favorables i unes temperatures més baixes.
Resultats principals
Les dues comunitats alpines van mostrar respostes similars a les condicions microclimàtiques. La condició de “fellfield” (més càlida) va promoure una germinació més elevada i primerenca. Sorprenentment, petites diferències setmanals de 2-3 graus Celsius a la setmana, acumulades al llarg de l’any, va resultar en un important retard en la germinació de quasi dos mesos (de mitjana) en la condició de “snowbed”, a on també vam observar una germinació més baixa. Els resultats de laboratori van ser consistents amb la fenologia de la germinació que vam observar en els experiments de camp. També vam observar algunes diferències entre les dues comunitats, corroborant els patrons generals de germinació que es descriuen a la literatura.
Implicacions
En escenaris climàtics futurs més càlids, s’espera que les espècies alpines avancin la seva germinació, de mitjana, quasi dos mesos. Tot i que algunes espècies poden veure’s beneficiades per aquestes condicions més càlides germinant abans i més ràpid (com per exemple Iberis carnosa), altres espècies que requereixen condicions més estrictes de fred i humitat per activar el procés de germinació (per exemple Carex sempervirens) es veuran probablement negativament afectades. Això generarà un canvi en la composició local d’espècies en comunitats alpines i potencials extincions locals. Tot i així, també volem ressaltar la gran plasticitat de la germinació que hem observat en algunes de les espècies estudiades, una habilitat que pot ser crucial per adaptar-se a noves condicions climàtiques.
