Tilgængelighed af næringsstoffer i modelvådområder hjælper med at regulere mikrobiel metabolisme og kulstofkredsløbshastigheder i jorden

Studerer mikrobielle samfund i San Joaquin Delta rismarker, forskere koblede mikrobiel metabolisme og næringsstoftilgængelighed til jordens kulstofcyklushastigheder.

Etablering af indbyrdes forhold mellem mikrobiel metabolisme, tilgængelighed af næringsstoffer og kulstofkredsløb i jorden er afgørende for at anvende genomisk information til at forstå det globale kulstofkredsløb. Ved at vise, hvordan mikrobiel metabolisme reguleres af koblet næringsstofkredsløb og jordens kulstoftilgængelighed, forskere demonstrerer, hvordan genomiske undersøgelser af mikrobielle samfund kan skaleres op til økosystemniveau, som vil bidrage til en dybere forståelse af økologiske processer og vil støtte udviklingen af ​​bedre globale kulstofcyklusmodeller.

For bedre at forstå sammenhængen mellem kulstofcykling, tilgængelighed af næringsstoffer, og mikrobielle samfund i jord er det nødvendigt at udføre undersøgelser på tværs af en næringsstofgradient. Rismarker er modelvådområdesystemer, der giver forskere mulighed for at fokusere på udvalgte biogeokemiske variabler, mens faktorer som vand og vegetation styres. Ved siden af ​​Twitchell Islands restaurerede vådområder ligger rismarker med jordens kulstofindhold, der kan variere mellem 2,5 procent og 25 procent, dækker meget af det globale kulstofområde, der findes i jordbunden. Vådområder er af interesse for det amerikanske energiministerium for at forstå mikrobielle samfunds rolle i langsigtede indvirkninger på kulstofemissioner og kulstofbinding. Disse økosystemer kan fange så meget som 30 procent af jordens globale kulstof, men bidrager med næsten 40 procent af de globale metan-emissioner, giver mulighed for at forstå deres roller som både kulstofdræn og kulstofkilder. Forskere ved Joint Genome Institute, en DOE Office of Science brugerfacilitet, studerede økosystemerne på Twitchell Island i Sacramento-San Joaquin Delta, hvor U.S. Geological Survey havde en pilotundersøgelse af genoprettede vådområder.

En kombination af metagenomisk sekventering af jordprøver, biogeokemisk karakterisering og ugentlige målinger af drivhusgasemissioner førte til holdets resultater, offentliggjort i ISME Journal . Resultaterne tyder på, at de mikrobielle metaboliske hastigheder stemmer overens med biologisk støkiometristeori, en metabolisk teori om økologi, der antyder, at organismer med hurtigere væksthastigheder kræver mere fosfor for at øge nitrogenrig proteinsyntese. Indtil nu, denne teori var ikke blevet anvendt på jordmikrober in situ på grund af metodiske begrænsninger, som forskerne behandlede ved hjælp af en ny genomisk tilgang.

At studere de mikrobielle samfund i disse jordarter, forskerne fandt ud af, at den hastighed, hvormed mikrober nedbryder organisk stof, er koblet til tilgængeligheden af ​​kulstof, nitrogen og fosfor i jorden. Specifikt, tilgængeligheden af ​​fosfor er en nøglefaktor for at bestemme kulstofkredsløbet i jorden. En overflod af fosfor øger mikrobiel aktivitet og metaboliske hastigheder, hvilket igen betyder højere kulstofomsætning. Lavere fosfor i jord med højt kulstofindhold kan hjælpe med at stabilisere akkumuleret kulstof, mens jord med højt fosforindhold hurtigere kan miste kulstoflagre. Disse associationer på økosystemskalaen blev også afspejlet i genomiske data fra de jordmikrober, som driver jordelementernes cykling. Jordmetagenomsekvensdata blev vurderet for mikrobielt potentiale til at metabolisere kulstof, nitrogen og fosfor, mens prædiktiv funktionel profileringssoftware tillod forskerne at sammenligne afvejninger i disse funktioner blandt mikrobielle afstamninger. Denne tilgang afslørede klynger af genomsekvenser, der kunne grupperes i "laug" baseret på genomiske profiler af metaboliske gener, som forskerne brugte til at udvikle nye prædiktive modeller for mikrobiel samfundssammensætning og jordens kulstofkredsløb. Dette arbejde er et vigtigt fremskridt hen imod at forstå forholdet mellem mikrobielle samfund og jordens næringsstoffer og virkningerne af disse interaktioner på økosystemaktivitet og sundhed.