Virkelig hjemmehørende bioskorper:Mikrobiel metabolisme

Tørre lande, som dækker omkring 40 procent af jordens jordoverflade, er for tørre til at opretholde meget vegetation. Men langt fra at være ufrugtbar, de er hjemsted for forskellige samfund af mikroorganismer - inklusive svampe, bakterie, og archaea - der bor sammen inden for de øverste millimeter jord. Disse biologiske jordskorper, eller bioskorper, kan eksistere i længere perioder i en udtørret, hvilende tilstand. Når det regner, mikroberne bliver metabolisk aktive, sætter gang i en kaskade af aktivitet, der dramatisk ændrer både samfundsstrukturen og jordbundens kemi.

"Disse bioskorper og andre jordmikrobiomer indeholder en enorm mangfoldighed af både mikrober og små molekyler ("metabolitter"). sammenhængen mellem jordens kemiske mangfoldighed og mikrobiel diversitet er dårligt forstået, " sagde Trent Northen, en seniorforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

I et papir udgivet 2. januar, 2018, i Naturkommunikation , Berkeley Lab-forskere ledet af Northen-laboratoriet rapporterer, at specifikke forbindelser transformeres af og er stærkt forbundet med specifikke bakterier i naturlig biologisk jordskorpe (bioskorpe) ved hjælp af en række værktøjer, Northen kalder "exometabolomics". At forstå, hvordan mikrobielle samfund i bioskorpen tilpasser sig deres barske miljøer, kunne give vigtige spor til at hjælpe med at kaste lys over jordmikrobernes roller i det globale kulstofkredsløb.

Arbejdet følger en undersøgelse fra 2015, der undersøgte, hvordan specifikke små molekyleforbindelser kaldet "metabolitter" blev transformeret i en blanding af bakterieisolater fra bioskorpeprøver dyrket i et miljø af metabolitter fra samme jord. "Vi fandt ud af, at de mikrober, vi undersøgte, var 'kræsne' spisere, " sagde Northen. "Vi troede, at vi kunne bruge denne information til at forbinde det, der forbruges, til overfloden af ​​mikrober i det intakte samfund, derved forbinder biologien med kemien."

I den nye undersøgelse, efterforskerne satte sig for at afgøre, om mikrobe-metabolit-relationerne observeret i det forenklede reagensglassystem kunne reproduceres i et mere komplekst jordmiljø. Bioskorper fra samme kilde - repræsenterende fire på hinanden følgende modningsstadier - var våde, og jordvandet blev udtaget på fem tidspunkter. Prøverne blev analyseret ved væskekromatografi-massespektrometri (LC-MS) for at karakterisere metabolitsammensætningen ("metabolomics"), og bioskorpe-DNA blev ekstraheret til shotgun-sekventering for at måle enkeltkopi-genmarkører for den dominerende mikrobeart ("metagenomics").

"Når vi sammenligner mønstrene for metabolitoptagelse og produktion for isolerede bakterier, der er relateret til de mest udbredte mikrober, der findes i bioskorpen, det finder vi, spændende, disse mønstre opretholdes, sagde Northen. Det vil sige, øget forekomst af en given mikrobe er negativt korreleret med de metabolitter, de indtager, og positivt korreleret med metabolitter, som de frigiver.

Når den er aktiv, bioskorper optager atmosfærisk kuldioxid og binder nitrogen, bidrager til økosystemets primære produktivitet. De behandler også organisk stof i jorden, ændring af nøgleegenskaber relateret til jordens frugtbarhed og vandtilgængelighed.

"Denne undersøgelse tyder på, at laboratorieundersøgelser af mikrobiel metabolitbearbejdning kan hjælpe med at forstå disse mikrobers rolle i kulstofkredsløbet i miljøet. Denne undersøgelse får os tættere på at forstå de komplekse fødevæv, der er afgørende for næringsdynamikken og jordens overordnede frugtbarhed, " sagde undersøgelsens første forfatter Tami Swenson, en videnskabelig ingeniørmedarbejder i Northens gruppe inden for Berkeley Lab Biosciences Area's Environmental Genomics and Systems Biology (EGSB) division.

Northens gruppe arbejder i øjeblikket på at udvide disse undersøgelser til at fange en større del af mikrobiel diversitet. Ultimativt, dette kan muliggøre forudsigelse af næringsstofkredsløb i terrestriske mikrobielle økosystemer, og måske endda manipulation ved at tilføje specifikke metabolitter.