Засушливые земли, которые покрывают около 40 процентов земной поверхности, слишком сухие, чтобы поддерживать большую часть растительности. Но далеко не бесплодные, они являются домом для разнообразных сообществ микроорганизмов, включая грибы, бактерии и археи, которые живут вместе в самых верхних миллиметрах почвы. Эти биологические корки почвы или биокорки могут существовать в течение длительного времени в высушенном, спящем состоянии. Когда идет дождь, микробы становятся метаболически активными, запуская каскад активности, который резко меняет как структуру сообщества, так и химический состав почвы.
«Эти биокорки и другие почвенные микробиомы содержат огромное разнообразие как микробов, так и малых молекул («метаболитов»). Однако связь между химическим разнообразием почвы и микробным разнообразием плохо изучена», - сказал Трент Нортен. старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab).
В статье, опубликованной 2 января 2018 года в журнале Nature Communications, исследователи лаборатории Беркли под руководством лаборатории Northen сообщают, что определенные соединения трансформируются и тесно связаны с определенными бактериями в естественной биологической почвенной коре (биокорке) с использованием набора одного из инструментов Нортен называет «экзометаболомикой». Понимание того, как микробные сообщества в биокорках адаптируются к суровым условиям, может дать важные подсказки, которые помогут пролить свет на роль почвенных микробов в глобальном углеродном цикле.
Работа следует за исследованием 2015 года, в котором изучалось, как определенные низкомолекулярные соединения, называемые «метаболитами», трансформировались в смесь бактериальных изолятов из образцов биокорки, культивируемых в среде метаболитов из той же почвы.«Мы обнаружили, что микробы, которых мы исследовали, были «придирчивыми» едоками», - сказал Нортен. «Мы подумали, что могли бы использовать эту информацию, чтобы связать то, что потребляется, с обилием микробов в нетронутом сообществе, тем самым связав биологию с химией».
В новом исследовании исследователи намеревались определить, могут ли отношения микробов и метаболитов, наблюдаемые в упрощенной системе пробирок, быть воспроизведены в более сложной почвенной среде. Биокорки из одного и того же источника, представляющие четыре последовательные стадии созревания, были влажными, а пробы почвенной воды отбирались в пяти временных точках. Образцы были проанализированы с помощью жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии (ЖХ-МС) для характеристики состава метаболитов («метаболомика»), а ДНК биокорки была извлечена для секвенирования дробовиком для измерения маркеров единичных копий генов для доминирующих видов микробов («метагеномика»)..
«Когда мы сравниваем модели поглощения и производства метаболитов изолированными бактериями, которые связаны с наиболее распространенными микробами, обнаруженными в биокорках, мы обнаруживаем, что, к счастью, эти модели сохраняются», - сказал Нортен. То есть повышенная численность данного микроба отрицательно коррелирует с метаболитами, которые они потребляют, и положительно коррелирует с метаболитами, которые они выделяют.
В активном состоянии биокорки поглощают атмосферный углекислый газ и фиксируют азот, способствуя первичной продуктивности экосистемы. Они также перерабатывают органические вещества в почве, изменяя ключевые свойства, связанные с плодородием почвы и наличием воды.
Это исследование предполагает, что лабораторные исследования обработки микробных метаболитов могут помочь понять роль этих микробов в круговороте углерода в окружающей среде. Это исследование приближает нас к пониманию сложных пищевых сетей, которые жизненно важны для динамики питательных веществ и в целом. плодородие почвы», - сказала первый автор исследования Тами Свенсон, научный сотрудник группы Нортена в отделе экологической геномики и системной биологии (EGSB) Лаборатории Беркли.
Группа Нортена в настоящее время работает над расширением этих исследований, чтобы охватить большую часть микробного разнообразия. В конечном итоге это может позволить прогнозировать круговорот питательных веществ в наземных микробных экосистемах и, возможно, даже манипулировать ими, добавляя определенные метаболиты.
Следующие исследователи из лаборатории Беркли также внесли свой вклад в исследование: Бенджамин Боуэн, член лаборатории Нортена в EGSB и в Объединенном институте генома, пользовательском центре Министерства энергетики США, помогал анализировать данные метаболомики; Улас Караоз из Центра наук о Земле и окружающей среде (EESA) проанализировал данные метагеномики; и Джоэл Свенсон, бывший исследователь с докторской степенью в отделе биологических систем и инженерии Biosciences, помог провести корреляцию и статистический анализ.