«Эти биокорки и другие микробиомы почвы содержат огромное разнообразие как микробов, так и небольших молекул (« метаболитов »). Однако связь между химическим разнообразием почвы и микробным разнообразием плохо изучена», — сказал Трент Нортен, старший научный сотрудник Lawrence Национальная лаборатория Беркли (Berkeley Lab).В статье, опубликованной 2 января 2018 года в Nature Communications, исследователи из лаборатории Беркли во главе с лабораторией Нортен сообщают, что определенные соединения трансформируются и прочно связаны с определенными бактериями в естественной биологической почвенной коре (биокорке) с использованием набора инструментов, которые северян называет " экзометаболомика ". Понимание того, как микробные сообщества в биокорке адаптируются к суровой окружающей среде, может дать важные подсказки, которые помогут пролить свет на роль почвенных микробов в глобальном углеродном цикле.
Работа следует за исследованием 2015 года, в котором изучалось, как конкретные низкомолекулярные соединения, называемые «метаболиты», трансформировались в смеси бактериальных изолятов из образцов биокоржавчины, культивированных в среде метаболитов из той же почвы. «Мы обнаружили, что микробы, которые мы исследовали, были« придирчивыми »поедателями, — сказал Нортен. «Мы думали, что можем использовать эту информацию, чтобы связать то, что потребляется, с изобилием микробов в неповрежденном сообществе, тем самым связав биологию с химией».В новом исследовании исследователи намеревались определить, можно ли воспроизвести отношения микроб-метаболит, наблюдаемые в упрощенной системе пробирки, в более сложной почвенной среде. Биокорки из одного и того же источника — представляющие четыре последовательных стадии созревания — были влажными, а пробы почвенной воды отбирались в пяти временных точках.
Образцы были проанализированы методом жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии (ЖХ-МС), чтобы охарактеризовать состав метаболитов («метаболомика»), и биокорковая ДНК была извлечена для секвенирования дробовиком для измерения маркеров единичных копий генов для доминирующих видов микробов («метагеномика»). .«Когда мы сравниваем паттерны поглощения и производства метаболитов изолированными бактериями, которые связаны с наиболее многочисленными микробами, обнаруженными в биокорках, мы обнаруживаем, что, что интересно, эти паттерны сохраняются», — сказал Нортен. То есть увеличение численности данного микроба отрицательно коррелирует с метаболитами, которые они потребляют, и положительно коррелирует с метаболитами, которые они выделяют.В активном состоянии биокоры поглощают атмосферный углекислый газ и фиксируют азот, способствуя первичной продуктивности экосистемы. Они также перерабатывают органические вещества в почве, изменяя ключевые свойства, связанные с плодородием почвы и доступностью воды.
«Это исследование предполагает, что лабораторные исследования микробной обработки метаболитов могут помочь понять роль этих микробов в круговороте углерода в окружающей среде. Это исследование приближает нас к пониманию сложных пищевых цепочек, которые имеют жизненно важное значение для динамики питательных веществ и общего плодородия почвы», — сказал он. исследование первого автора Тами Свенсон, научного сотрудника группы Нортена в отделе экологической геномики и системной биологии (EGSB) лаборатории биологических наук Беркли.Группа Нортена в настоящее время работает над расширением этих исследований, чтобы охватить большую часть микробного разнообразия.
В конечном итоге это может позволить прогнозировать круговорот питательных веществ в наземных микробных экосистемах и, возможно, даже управлять путем добавления определенных метаболитов.Следующие исследователи из лаборатории Беркли также внесли свой вклад в исследование: Бенджамин Боуэн, сотрудник лаборатории Нортена в EGSB и в Объединенном институте генома, научном центре Министерства энергетики США, помогал анализировать данные метаболомики; Улас Караоз из Области наук о Земле и окружающей среде (EESA) проанализировал данные метагеномики; и Джоэл Свенсон, бывший научный сотрудник отдела биологических систем и инженерии биологических наук, помог провести корреляционный и статистический анализ.Эта работа была поддержана в рамках программы исследований ранней карьеры Департамента науки Министерства энергетики США.
ДНК секвенировали с использованием лаборатории геномного секвенирования Винсента Дж. Коутса в Калифорнийском университете в Беркли при поддержке Национального института здравоохранения, США.