Fra rødder til modstandsdygtighed:Undersøgelse af mikrobers vitale rolle i kystplantesundhed

Georgiens saltvandsmoser – der bor hvor landet møder havet – strækker sig langs hele statens 100-mile kystlinje. Disse rige økosystemer er stort set domineret af kun én plante:græs.

Planten er kendt som cordgrass og er en økosystemingeniør, der giver levesteder for dyrelivet, renser naturligt vand, når det bevæger sig fra indlandet til havet, og holder kystlinjen sammen, så det ikke kollapser. Cordgrass beskytter endda menneskelige samfund mod tidevandsbølger.

At forstå, hvordan disse planter forbliver sunde, er af afgørende økologisk betydning. For eksempel er en kendt plantestressor, der er udbredt i sumpjord, den opløste svovlforbindelse, sulfid, som produceres og forbruges af bakterier. Men mens Georgias kystlinje kan prale af en rig tradition for økologisk forskning, har det været uhåndgribeligt at forstå de nuancerede måder, bakterier interagerer med planter på i disse økosystemer. Takket være de seneste fremskridt inden for genomisk teknologi er Georgia Tech-biologer begyndt at afsløre aldrig før sete økologiske processer.

Holdets arbejde blev offentliggjort i Nature Communications .

Joel Kostka, Tom og Marie Pattons fremtrædende professor og lektor for forskning på School of Biological Sciences, og Jose Luis Rolando, en postdoc-stipendiat, satte sig for at undersøge forholdet mellem snoregræsset Spartina alterniflora og de mikrobielle samfund, der bebor deres rødder , identifikation af bakterierne og deres roller.

"Ligesom mennesker har tarmmikrober, der holder os sunde, er planter afhængige af mikrober i deres væv for sundhed, immunitet, metabolisme og næringsstofoptagelse," sagde Kostka. "Selvom vi har kendt til de reaktioner, der driver næringsstof- og kulstofkredsløbet i marsken i lang tid, er der ikke så mange data om mikrobernes rolle i økosystemets funktion."

Ude i marsken

En vigtig måde, hvorpå planter får deres næringsstoffer, er gennem nitrogenfiksering, en proces, hvor bakterier omdanner nitrogen til en form, som planter kan bruge. I moser er denne rolle for det meste blevet tilskrevet heterotrofer eller bakterier, der vokser og får deres energi fra organisk kulstof. Bakterier, der forbruger plantetoksinet sulfid, er kemoautotrofer, der bruger energi fra sulfidoxidation til at fremme optagelsen af ​​kuldioxid til at lave deres eget organiske kulstof til vækst.

"Gennem tidligere arbejde vidste vi, at Spartina alterniflora har svovlbakterier i sine rødder, og at der er to typer:svovloxiderende bakterier, som bruger sulfid som energikilde, og sulfatreducerende midler, som respirerer sulfat og producerer sulfid, et kendt toksin for planter," sagde Rolando. "Vi ønskede at vide mere om den rolle, disse forskellige svovlbakterier spiller i nitrogenkredsløbet."

Kostka og Rolando tog til Sapelo Island, Georgia, hvor de regelmæssigt har udført feltarbejde i strandengene. Når de vadede ind i marsken, med skovle og spande i hånden, samlede forskerne og deres studerende snorgræs sammen med de mudrede sedimentprøver, der klæber til deres rødder. Tilbage i feltlaboratoriet samledes holdet sig omkring et bassin fyldt med åvand og vaskede forsigtigt græsset og adskilte forsigtigt planterødderne.

Dernæst brugte de en speciel teknik, der involverede tungere versioner af kemiske grundstoffer, der forekommer i naturen som sporstoffer til at spore de mikrobielle processer. De analyserede også DNA'et og RNA'et fra mikroberne, der lever i forskellige rum af planterne.

Ved hjælp af en sekventeringsteknologi kendt som shotgun metagenomics var de i stand til at hente DNA'et fra hele det mikrobielle samfund og rekonstruere genomer fra nyopdagede organismer. Tilsvarende tillod umålrettet RNA-sekventering af det mikrobielle samfund dem at vurdere, hvilke mikrobielle arter og specifikke funktioner, der var aktive i tæt forbindelse med planterødder.

Ved at bruge denne kombination af teknikker fandt de ud af, at kemoautotrofe svovloxiderende bakterier også var involveret i nitrogenfiksering. Disse bakterier hjalp ikke kun planterne ved at afgifte rodzonen, men de spillede også en afgørende rolle i at give kvælstof til planterne. Denne dobbelte rolle for bakterierne i svovlkredsløbet og nitrogenfiksering fremhæver deres betydning i kystnære økosystemer og deres bidrag til plantesundhed og vækst.

"Planter, der vokser i områder med høje niveauer af sulfidakkumulering, har en tendens til at være mindre og mindre sunde," sagde Rolando. "Men vi fandt ud af, at de mikrobielle samfund i Spartina-rødderne hjælper med at afgifte sulfidet, hvilket forbedrer plantesundheden og modstandsdygtigheden."

Lokal til global betydning

Cordgrasses er ikke kun hovedspilleren i Georgia moser; de dominerer også sumplandskaber over hele sydøst, inklusive Carolinas og Gulf Coast. Desuden fandt forskerne ud af, at de samme bakterier er forbundet med snoregræs, mangrove og søgræsrødder i kystnære økosystemer over hele planeten.

"Meget af kystlinjen i tropiske og tempererede klimaer er dækket af kystnære vådområder," sagde Rolando. "Disse områder rummer sandsynligvis lignende mikrobielle symbioser, hvilket betyder, at disse interaktioner påvirker økosystemernes funktion på global skala."

Når forskerne ser fremad planlægger forskerne at udforske detaljerne om, hvordan sumpplanter og mikrober udveksler nitrogen og kulstof ved hjælp af avancerede mikroskopiteknikker kombineret med ultrahøjopløsningsmassespektrometri for at bekræfte deres resultater ved enkeltcellen niveau.

"Videnskaben følger teknologien, og vi var spændte på at bruge de nyeste genomiske metoder til at se, hvilke typer bakterier der var der og aktive," sagde Kostka. "Der er stadig meget at lære om de indviklede forhold mellem planter og mikrober i kystnære økosystemer, og vi begynder at afdække omfanget af den mikrobielle kompleksitet, der holder marsken sunde."

Flere oplysninger: J. L. Rolando et al., Svovloxidation og -reduktion er koblet til nitrogenfiksering i rødderne af saltmarskfundamentplanten Spartina alterniflora, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47646-1

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Georgia Institute of Technology