Почва полна жизни, необходима для круговорота питательных веществ и накопления углерода. Чтобы лучше понять, как он функционирует, международная исследовательская группа под руководством EMBL и Тартуского университета (Эстония) провела первое глобальное исследование бактерий и грибков в почве. Их результаты показывают, что бактерии и грибы постоянно конкурируют за питательные вещества и производят целый арсенал антибиотиков, чтобы получить преимущество друг перед другом. Исследование также может помочь предсказать влияние изменения климата на почву и помочь нам лучше использовать естественные компоненты почвы в сельском хозяйстве. Nature публикует результаты 1 августа 2018 года.
Исследования почвенного микробиома требуют от ученых испачкать руки. В течение пяти лет было собрано 58 000 образцов почвы с 1450 участков по всему миру (по 40 подвыборок на участок), которые были тщательно отобраны, чтобы не подвергаться влиянию деятельности человека, такой как сельское хозяйство. Первые авторы Мохамад Бахрам (Тартуский университет) и Фальк Хильдебранд (EMBL) вместе с большой командой сотрудников создали этот масштабный проект, собрали образцы и проанализировали набор данных объемом 14,2 терабайта. Из 1450 отобранных участков 189 были отобраны для углубленного анализа, охватывающего наиболее важные биомы мира, от тропических лесов до тундры, на всех континентах.
Глобальная микробная война
Только полпроцента из миллионов генов, обнаруженных в этом исследовании, перекрываются с существующими данными микробиомов кишечника и океана. «Количество неизвестных генов огромно, но те, которые мы можем интерпретировать, ясно указывают на глобальную войну между бактериями и грибами в почве», - говорит Пир Борк, руководитель группы EMBL и соответствующий автор статьи.
В целом, бактериальное разнообразие в почве ниже, если относительно больше грибов. Команда также обнаружила тесную связь между количеством генов устойчивости к антибиотикам у бактерий и количеством грибов, особенно тех, которые потенциально могут производить антибиотики, таких как Penicillium. Фальк Хильдебранд: «Эта закономерность вполне может быть объяснена тем фактом, что грибы вырабатывают антибиотики в войне с бактериями, и только бактерии с адекватными генами устойчивости к антибиотикам могут выжить».
«Антагонизм между грибами и бактериями влияет на общее разнообразие бактериальных сообществ и определяет их генетический репертуар устойчивости к антибиотикам», - говорит Мохамад Бахрам. Эта информация может быть использована для прогнозирования распространения генов, обуславливающих устойчивость к антибиотикам, в различных экосистемах и путей их проникновения в патогены человека. Это также может помочь предсказать и определить места с высоким уровнем естественных производителей антибиотиков.
Региональные различия
Команда также обнаружила региональные различия в распространении бактерий и грибков. Бактерии распространены повсеместно, с наибольшим генетическим разнообразием в умеренных зонах с умеренным климатом. Факторы окружающей среды, такие как температура, являются наиболее решающими в их относительной распространенности: они часто предпочитают жаркие и влажные места. Грибы обычно более распространены в более холодном и сухом климате, таком как тундра. Они также имеют тенденцию быть более географически ограниченными, с различиями в населении между континентами. Это означает, что относительный вклад бактерий и грибов в круговорот питательных веществ во всем мире различен, и что глобальное изменение климата может по-разному влиять на их состав и функции.
Последствия деятельности человека
При сравнении данных из участков нетронутой почвы с данными из мест, пострадавших от человека, таких как сельскохозяйственные угодья или садовые лужайки, соотношение между бактериями, грибками и антибиотиками было совершенно другим. По мнению ученых, этот сдвиг в природном балансе, который, вероятно, развивался на протяжении большей части истории Земли, показывает влияние деятельности человека на микробиом почвы, последствия которого до сих пор неизвестны. Тем не менее, лучшее понимание взаимодействия между грибками и бактериями в почве может помочь сократить использование почвенных удобрений в сельском хозяйстве, поскольку это может дать полезным микроорганизмам больше шансов на выживание в их естественной среде.