Хотя это может показаться неодушевленным, почва под нашими ногами очень живая. Он наполнен бесчисленными микроорганизмами, активно разрушающими органические вещества, такие как опавшие листья и растения, и выполняющими множество других функций, которые поддерживают естественный баланс углерода и питательных веществ, хранящихся в земле под нами.
«Почва состоит в основном из микроорганизмов, как живых, так и мертвых», - говорит Дженнифер Бхатнагар, почвенный микробиолог и доцент кафедры биологии Колледжа искусств и наук Бостонского университета. Она говорит, что обычно можно увидеть несколько сотен различных видов грибков и бактерий в одном кусочке почвы над землей, что делает эту экосистему одной из самых разнообразных из существующих.
Поскольку о почвенных организмах еще так много неизвестно, до сих пор ученые не пытались предсказать, где в мире обитают определенные виды или группы почвенных микробов. Но знание этих организмов - слишком малое, чтобы увидеть их невооруженным глазом - является ключом к лучшему пониманию почвенного микробиома, состоящего из сообществ различных микробов, живущих вместе.
Команда биологов BU, включая Бхатнагара, взялась за эту задачу, и их исследование впервые показывает, что можно точно предсказать обилие различных видов почвенных микробов в разных частях мира.. Команда недавно опубликовала свои выводы в новой статье журнала Nature Ecology & Evolution..
Если мы знаем, где находятся организмы на Земле, и мы знаем, как они изменяются в пространстве и времени из-за различных сил окружающей среды, и что-то о том, что делают разные виды, тогда мы можем гораздо лучше предсказать, как функционируют эти сообщества изменятся с точки зрения круговорота углерода и питательных веществ», - говорит Бхатнагар. Такие знания будут иметь огромное значение для сельского хозяйства, изменения климата и общественного здравоохранения.
«Здоровье почвы так сильно связано с почвенными микробами», - говорит Майкл Дитце, старший автор исследования и профессор Колледжа искусств и наук BU по земле и окружающей среде. Дитце, Бхатнагар и исследователи из их лабораторий объединили усилия для работы над этим проектом, который включал анализ сотен образцов почвы, собранных исследовательскими центрами Национальной сети экологических обсерваторий (NEON). Бхатнагар и члены ее лаборатории поделились с командой своими знаниями о почвах, а Дитце и его лаборатория предложили свою уникальную способность разрабатывать точные экологические прогнозы и краткосрочные экологические прогнозы.
Команда выяснила, что предсказуемость появления микробов возрастает по мере увеличения площади пространства, поэтому чем больше участок земли, на который их модель делает прогнозы, тем больше вероятность того, что прогнозы о том, какие типы микробов там живут, будут точными.
Дитце говорит, что способность точно предсказывать, какие микробы, вероятно, будут обнаружены в данном образце почвы, также возросла, когда исследователи рассмотрели группы организмов, находящиеся выше по филогенетической шкале, системе, которая классифицирует организмы на основе эволюционного родства. На самом маленьком конце шкалы «вид» представляет высший уровень классификации; с другой стороны, «тип» составляет самые большие и самые разнообразные группы организмов. Они были удивлены, обнаружив, что могут лучше предсказать присутствие целого типа, а не отдельных видов.
Получив геномные данные образцов почвы от NEON, модели прогнозирования исследовательской группы учитывают факторы окружающей среды, характерные для места происхождения почвы - какие растения там обитают, кислотность почвы (pH), температуру, климат и многие другие. Они обнаружили, что их модель лучше всего способна предсказать присутствие микроорганизмов на основе их симбиотических отношений с местными видами растений. Микоризные грибы, например, являются очень распространенным почвенным микробом, с которым связано около 90 процентов семейств растений, включая сосны и дубы в Новой Англии..
Напротив, команда обнаружила, что предсказать большие группы организмов на основе их связи с кислотностью почвы сложнее. По словам Бхатнагара, несмотря на знание уровня кислотности почвы и того, какие типы бактерий обычно предпочитают жить в этой среде, их модель не могла точно предсказать количество бактерий, которые действительно присутствовали в образце почвы. «Это означает, что есть что-то еще помимо связи с [кислотностью], помимо связи с любым другим фактором окружающей среды, который мы обычно измеряем в наших экосистемах», - говорит она.
Теперь команда Дитце и Бхатнагара расширяет свои прогнозы, не ограничиваясь прогнозированием микробов только на основе их местоположения, а также включая определенные времена года.
«Создание основы для прогнозирования микробиома почвы на участках по всей территории США улучшит наше понимание сезонных и межгодовых изменений», - говорит Зои Вербин, аспирант, работающий в лаборатории Бхатнагара и автор статьи.«Это может помочь нам предвидеть, как изменение климата может повлиять на микробные процессы, такие как разложение или круговорот азота».
Своим диссертационным проектом Вербин надеется ответить на фундаментальные вопросы о том, как и почему почвенный микробиом меняется во времени и пространстве.
«Чем больше мы узнаем, тем больше понимаем, насколько важны почвенные микробы для сельского хозяйства, общественного здравоохранения и изменения климата. Очень интересно исследовать, как микроскопические организмы могут оказывать такое крупномасштабное воздействие», - говорит Вербин. «Мы знаем, что определенные факторы, такие как температура и влажность, влияют на микробные сообщества. Но мы не знаем, насколько важны эти факторы по сравнению с естественной изменчивостью или взаимодействием между микробами. Мой проект PhD поможет определить движущие силы почвенного микробиома, а также самые большие источники неопределенности».