Команда под руководством Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики США выяснила, как некоторые почвенные микробы выживают в среде с низким содержанием фосфора, чтобы выжить в тропической экосистеме. Их новый подход может быть применен в других экосистемах для изучения различных ограничений питательных веществ и информирования сельского хозяйства и моделирования наземной биосферы.
Фосфор является важным питательным веществом для глобальных биологических процессов, таких как сбор солнечной энергии во время фотосинтеза и разложение растительных остатков и органического вещества почвы. Большинство тропических экосистем подвергаются длительному выветриванию, в результате которого фосфор вымывается из почвы.
Команда под руководством ORNL решила выяснить, как микробные сообщества почвы реагируют на нехватку фосфора и дефицит других питательных веществ на молекулярном уровне.
Они собрали образцы почвы в Смитсоновском институте тропических исследований в Республике Панама, экспериментальном участке с участками, богатыми фосфором, и неудобренными контрольными участками.
«Это было идеальное место для проверки оптимальной теории кормодобывания, которая представляет собой модель, которая помогает предсказать поведение организма при поиске ресурсов», - сказал Чонгл Пан, старший научный сотрудник ORNL и соавтор доцента Университета штата Нью-Йорк. Теннесси. «Мы узнали, как эта теория проявляется в применении к микробным сообществам, поскольку они конкурируют за питательные вещества».
Команда проанализировала поведение многих генов и белков, и в необработанной почве с дефицитом фосфора они обнаружили повышенное количество генов, ответственных за производство ферментов, поглощающих фосфор. Они также обнаружили более 100 генов, которые извлекают фосфор из фитата, который представляет собой сложное органическое соединение, содержащееся в тканях растений.
«Обнаружение такого большого количества генов, способных расщепляться и транспортировать такую сложную молекулу, говорит нам о том, что микробы жаждут фосфора в необработанной почве», - сказала Мелани Мэйес, старший научный сотрудник ORNL, изучающая многомасштабные экологические процессы.
И наоборот, она отметила, что при избытке фосфора присутствовало больше генов, необходимых для приобретения сложных соединений углерода. «Микробное сообщество уделяет первостепенное внимание расщеплению наиболее необходимых питательных веществ, сосредоточив усилия на наиболее ограниченном элементе, чтобы сбалансировать свои общие потребности в питании», - сказала она..
Команда провела серию тщательных и всесторонних анализов каждого образца почвы. Объединенный институт генома Министерства энергетики провел глубокое секвенирование метагеномов почв или генетического материала, извлеченного непосредственно из почвы. Затем ORNL использовала масс-спектрометрию и метапротеомику для идентификации более 7000 белков в каждом образце.
Суперкомпьютер ORNL Titan быстро проанализировал большое количество данных метагеномики и метапротеомики, сравнив микробную активность в богатых и бедных фосфором почвах. Ученые Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде дополнительно охарактеризовали органическое вещество почвы в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.
Совместная работа этих уникальных инструментов позволила провести одно из самых глубоких исследований протеогеномики почвенных микробных сообществ, согласно Pan.
Команда под руководством ORNL планирует продолжить свои исследования, чтобы охарактеризовать экологию и эволюцию почвенных микробных сообществ в бедных питательными веществами средах, которые находят применение в сельском хозяйстве и моделировании наземной биосферы во всем мире. Кроме того, Мэйс и ее команда включают информацию о метагеномике в модели круговорота питательных веществ в рамках программы Министерства энергетики США по исследованию ранней карьеры.
Результаты их трехлетнего исследования под названием «Протеогеномика сообщества показывает системное влияние наличия фосфора на микробные функции в тропической почве» были опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.
Соавторами статьи были Цюмин Яо, Чжоу Ли, Ян Сун, Мелани А. Мэйс и Чонгле Пан из ORNL; С. Джозеф Райт и Бенджамин Л. Тернер из Смитсоновского института тропических исследований; Терри С. Хейзен, кафедра экологической биотехнологии губернатора Университета Теннесси-ORNL; Сюань Го из Юта; Сюзанна Г. Триндж из Объединенного института генома Министерства энергетики США; и Малак М. Тфайли и Лиляна Паша-Толич из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.
Исследование проводилось при поддержке программы лабораторных исследований и разработок в ORNL. Метагеномное секвенирование было проведено Объединенным институтом генома Министерства энергетики США, а анализы органического вещества почвы были выполнены с использованием масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье в Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде PNNL, которые являются пользователями Управления науки Министерства энергетики США. В этой работе также использовался Oak Ridge Leadership Computing Facility, пользовательский центр DOE Office of Science.