Deciphering decomposition and the effects of disturbance in forest soil microbial communities with metagenomics and stable isotope probing

Forest industries are expected to bolster the renewable resource economy, but must contend with ecological challenges in maintaining the long-term fertility of forest plantation soils, and technological challenges in converting forest biomass into industrially relevant sources of carbon and energy. This thesis advances research related to both, first by describing the broad changes in soil microbial communities in the decades following timber harvesting, their implications for soil processes and the influence of biomass retention for mitigation (Chapter 3) and, second, by conducting the first comprehensive culture-independent survey of lignocellulolytic organisms in forest soils to expand knowledge of their diversity and catabolic capabilities (Chapter 4). Analysis of over 1,300 bacterial (16S rRNA gene) and fungal (ITS region) pyrotag libraries demonstrated consistent changes in microbial communities at harvested sites across North America, such as i) the increase of desiccationand heat-tolerant organisms, ii) the general decline of ectomycorrhizal (EM) fungi with a rise of select EM genera (Suillus and Thelephora), iii) the moderation of population shifts by organic matter retention and iv) changes in the functional character of harvested soils, including reduced methanotrophic populations and cellulolytic activity. Biogeographical differences in community structure revealed the potential for variation in the impacts of harvesting. Overall, a number of taxonomic groups were identified that may be important indicators for assessing the long-term impact of timber harvesting. Stable isotope probing revealed the degradation of model hemicellulose, cellulose and lignin substrates by specialized taxa, active on a sole substrate, and groups capable of degrading all three plant polymers, such as members of Burkholderiales and Caulobacteraceae. Bacterial lignin-degraders were more active than fungi in soil microcosms, represented by taxa with characterized lignolytic capability (Sphingobacteriaceae and Sphingomonadaceae) and novel taxa, such as members of Elusimicrobia and Acidobacteria. Differences in lignocellulolytic populations were observed among ecozones and soil layers. Mineral soils harboured a greater proportion of poorly characterized functional taxa and represent reservoirs of unexplored catabolic diversity. Metagenome assembly was ~3 to 20-fold higher as a result of SIP, providing a trove of sequence data containing carbohydrateand lignin-active enzymes from lignolytic and cellulolytic taxa for future characterization. Résumé On s’attend des industries forestières qu’elles agissent comme un pilier de l’économie des ressources renouvelables. Pour y arriver, elles doivent d’abord adresser des défis écologiques en terme de maintien à long terme de la fertilité des sols des forêts de plantation, ainsi que des défis technologiques en terme de conversion de biomasse forestière comme source industrielle significative de carbone et d’énergie. La présente thèse avance la recherche sur ces deux défis : d’abord, en décrivant les changements généraux de communautés microbiennes durant les décennies suivant la récolte du bois, leur implication sur les processus de sol, et leur influence sur la rétention de biomasse à mitiger les changements (chapitre 3), ensuite, en menant la première campagne d’évaluation détaillée d’organismes lignicellulolytique de sols forestiers afin d’élargir les connaissances sur la diversité de taxa non-cultivés et sur les enzymes catalytiques qu’ils possèdent (chapitre 4). Des analyses de plus de 1300 banques pyrotags bactériennes (ARNr 16S) et fongiques (région ITS) ont démontré des changements réguliers des communautés microbiennes aux sites échantillonnés à travers l’Amérique du Nord, dont i) l’expansion des organismes tolérants à la sécheresse et la chaleur, ii) la chute accrue de champignons ectomycorhizes (EM) avec une augmentation de champignons spécifiques EM (Suillus et Thelephora), iii ) la régulation de changements de population par la rétention de matière organique et iv) des changements dans les caractéristiques fonctionnelles des sols récoltés, incluant une réduction des populations métanotrophes et de l’activité cellulolytique. Des différences biogéographiques dans les structures de communautés ont révélé le potentiel de variation des impacts de récolte. En somme, une variété de groupes taxonomiques pouvant servir d’importants indicateurs pour évaluer l’impact à long terme de la récolte forestière fut identifiée. L’utilisation de marquage isotopique stable (SIP) révéla que la dégradation d’hémicellulose modèle, de cellulose, et de substrats ligneux est entreprise par des taxa spécialisés, actifs sur un seul substrat, mais aussi par des groupes capables de dégrader les trois polymères végétaux, dont des membres des Burkholderiales et Caulobacteraceae. Les décomposeurs bactériens de lignine furent plus actifs que les champignons, représentés par des taxa possédant des capacités lignolytiques caractérisées (Sphingobacteriaceae et Sphingomonadaceae) ainsi que de nouveaux taxa, comme Elusimicrobia et Acidobacteria. Des différences de populations lignicellulotytiques furent observées parmi les zones biogeoclimatiques et couches de sol, avec les sols minéraux abritant une plus grande proportion de taxa de fonction peu caractérisée. L’utilisation de SIP mena à un assemblage métagénomique ~ trois à vingt fois plus élevé, fournissant une mine de données de séquences contenant des enzymes actives de carbohydrate et lignine provenant d’une variété de taxa putativement lignicellulolytiques.