Forskere kortlægger jord-RNA til svampegenomer for at forstå skovøkosystemer

Hvis et træ vælter i skoven – uanset om nogen registrerer lyden eller ej – er én ting sikkert:Der er masser af svampe rundt omkring. I en skovs jord nedbryder hundredvis af arter affald, mobiliserer næringsstoffer fra dette forfald og leverer disse næringsstoffer til trærødder og jord. Disse svampe er med til at forme en skovs økologi. De lagrer kulstof og kredser vigtige næringsstoffer som nitrogen og fosfor.

På denne måde holder svampene i skovjorden nøglerne til træernes sundhed og kulstoflagring - færdigheder, der betyder mere og mere, efterhånden som klimaet opvarmes. Det er dog komplicerede interaktioner at udrede. Svampe arbejder i samarbejde for at støtte en skov, og arter varierer på tværs af Jordens økosystemer.

For nylig i arbejde offentliggjort i New Phytologist , har forskere været banebrydende for ny forståelse af, hvilke svampe der påtager sig visse funktioner ved skovbunden. For første gang sammenlignede de tre forskellige svampelaug på en række forskellige steder. De tog prøver af jord i fire skovøkosystemer, udtog RNA for at forstå genekspression og udviklede nye værktøjer til at kortlægge jord-RNA til svampegenomer.

U.S. Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI), et DOE Office of Science User Facility beliggende ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) sekventerede 1 billion baser - en terabase - af jord-RNA til dette projekt og producerede referencegenomer, der gjorde det muligt at kortlægge disse RNA-aflæsninger. "I øjeblikket er dette det største JGI-sekventerede svampemetatranskriptom endnu," sagde Igor Grigoriev, Fungal Genomics Program Head på JGI.

Sammen med en forbedret forståelse af flere skovsystemer opsætter dette arbejde protokoller og pipelines, som andre teams kan bruge rundt om i verden.

Disse værktøjer giver forskere en måde at få adgang til meget mere information om svampe i disse miljøer. "Nu med disse nye værktøjer - metatranskriptomik, RNA-sekventering af jord-RNA - kan vi få adgang til -" Hvad laver de? Hvordan interagerer de?'" sagde seniorforfatter Francis Martin, forskningsdirektør emeritus ved National Research Institute for Agriculture, Food and Environment (INRAE).

Bemærkelsesværdig lighed trods stor mangfoldighed

Til denne undersøgelse indsamlede forskere jordprøver fra fire steder:Aspurz, Spanien; Champenoux, Frankrig; Lamborn, Sverige; Montmorency, Canada. Disse steder repræsenterer henholdsvis middelhavsskove, tempererede og boreale skove.

Mange forskellige svampe forekommer i jordprøverne af disse forskellige biomer; skovene deler kun omkring 20 % af deres svampearter. For at lave brugbare sammenligninger måtte forskerne arbejde uden for taksonomien. "Og måden, vi fandt på, var at fokusere på sammenligning af udtryksniveauer mellem trofiske svampelaug," sagde Lucas Auer, en forskningsingeniør ved INRAE ​​og en af ​​de første forfattere til dette værk.

For at sammenligne disse trofiske laug fokuserede dette hold på tre hovedgrupper af svampe, der dukkede op i alle skove, de prøvede. Disse laug er fælles for skove rundt om i verden, såvel som enge og græsgange:saprotrofer skiller affald og døde organismer ad for at frigøre deres næringsstoffer; mykorrhizale symbionter transporterer vand og næringsstoffer til træer; plantepatogener koloniserer levende planter for at fodre på dem.

På tværs af skovtyperne redede Martin og hans team jordprøver for at se, hvilke gener disse tre svampelaug brugte til at dyrke og omsætte næringsstoffer. De sekventerede alt RNA fundet i jordprøver og samlede disse RNA-transkripter til et metatranskriptom.

Samlet set fandt de ud af, at på trods af stor artsdiversitet, udførte hver guild bemærkelsesværdigt ens funktioner på tværs af forskellige skove. Primær metabolisme, celleaktivitet og svampeudvikling lignede ret ens for hvert laug af saprotrofer, mykorrhiza-symbionter og patogener, uanset om en prøve kom fra jorden under en fyrre- eller et egetræ, i Sverige eller Quebec.

Økologisk antyder Martin, at denne redundans er beskyttende, lidt som at diversificere en investeringsportefølje. Hvis stress som naturbrand eller tørke truer nogle svampearter, vil andre svampe udfylde de nødvendige funktioner.

Dette arbejde viser også nyt overlap mellem funktionerne i forskellige svampelaug. Saprotrofer og mykorrhizale symbionter er historisk set blevet opdelt i separate økologiske nicher - henholdsvis genbrugere og transportører. Martins team fandt dog ud af, at begge laug udtrykker lignende gener for nedbrydning af svampecellevægge, den såkaldte svampenekrommasse, hvilket tyder på, at disse laug deler ansvaret for at genbruge dødt svampemateriale.

Referencegenomerne, der banede vejen

Dette projekt stammer fra et forslag til Community Science Program, som Martin indsendte i 2012. På det tidspunkt havde feltet undersøgt mange forskellige jordsamfund for taksonomisk mangfoldighed. Disse undersøgelser kunne udpege populationer, men de sagde lidt om, hvilke arter der gjorde hvad.

For at forstå, hvordan svampesamfund delte deres opgaver, valgte Martin og hans team at profilere RNA for at få et overblik over svampegenekspression. De ville have brug for eksisterende svampegenomer for at kortlægge genekspression til funktioner og svampearter. I første omgang var kortlægning af RNA-sekvenser på denne måde udfordrende, ifølge Martin. "For tolv år siden, da vi kortlagde det første sekventerede RNA fra jorden, var kun 10% af dem kortlagt til svampegenomerne ved JGI," sagde Martin.

En indsats kaldet 1000 Fungal Genomes-projektet ændrede det. Dette er et flerårigt projekt i samarbejde med JGI for at sekventere 1.000 referencegenomer fra hele livets svampetræ. Martin er en af ​​projektlederne. Efter at have startet med omkring 200 svampegenomer på få år, sagde han, havde 1000 svampegenomer-projektet sammen med andre CSP-projekter sekventeret over 2.000 svampegenomer.

JGI sekventerede, samlede og annoterede disse genomer i samarbejde med snesevis af partnere. "Dette var en enorm samfundsindsats med over 100 forskere, der nominerede arter til sekventering og derefter sendte DNA- og RNA-prøver til JGI," sagde Grigoriev. Alle disse genomer er tilgængelige hos MycoCosm.

Hvis opgaven med at kortlægge svampe-RNA til sekvenser i første omgang var lidt af en ujævn, snoet vej, åbnede denne nye tilstrømning af genomer en motorvej for den samme rute. "Det var virkelig fantastisk, hvordan kvaliteten af ​​dataene blev forbedret takket være den enorme mængde af nye genomer," sagde Martin.

1000 Fungal Genomes-projektet er på vej videre for at muliggøre flere undersøgelser som dette. Martin siger, at endnu flere genomer vil oversætte til endnu mere forståelse, da andre forskere analyserer RNA fra jordsamfund over hele Sydamerika, Kina, Europa og USA.

"I de næste par år tror jeg, vi vil have et slags globalt kort over svampediversiteten, men vi mangler stadig funktionerne," sagde Martin. "Så takket være den slags program, som vi har udviklet med JGI, har vi værktøjerne til virkelig at få information om funktionerne i dette svampesamfund, fra polerne til troperne."

Flere oplysninger: Lucas Auer et al, Metatranscriptomics kaster lys over sammenhængene mellem de funktionelle træk ved svampelaug og økologiske processer i skovjordens økosystemer, New Phytologist (2023). DOI:10.1111/nph.19471

Journaloplysninger: Ny fytolog

Leveret af DOE/Joint Genome Institute