Chociaż podstawowa koncepcja ekologii zakłada, że środowisko fizyczne decyduje o tym, gdzie organizmy mogą przetrwać, współcześni naukowcy podejrzewają, że w historii powstawania społeczności mikrobiologicznych w glebie kryje się więcej tajemnic.
W nowym badaniu naukowcy ustalili, za pomocą analiz statystycznych i eksperymentów, że pH gleby ma wpływ na skład społeczności mikrobiologicznej, ale to konieczność zajęcia się toksycznością uwalnianą podczas obiegu azotu ostatecznie kształtuje ostateczną społeczność mikrobiologiczną.
„Środowisko fizyczne wpływa na naturę interakcji mikrobiologicznych, a to wpływa na zgromadzenie społeczności” — powiedziała współautorka Karna Gowda, adiunkt mikrobiologii na Ohio State University. „Ludzie w tej dziedzinie rozumieli, że te dwie rzeczy muszą być ważne na jakimś poziomie, ale nie było na to zbyt wielu dowodów. Dodajemy do tego pomysłu pewną specyfikę i mechanizmy”.
Gowda powiedział, że praca ta pomaga wyjaśnić mikrobiologiczne podstawy globalnego obiegu azotu i może zapewnić nowy sposób myślenia o emisjach podtlenku azotu, silnego gazu cieplarnianego.
Wyniki badań opublikowano niedawno w czasopiśmie Nature Microbiology.
Mikroby utrzymują glebę zdrową i produktywną poprzez recykling składników odżywczych i są szczególnie ważne dla przekształcania azotu w formy, które rośliny mogą wykorzystać. Podziemne organizmy żyjące w tym samym środowisku są również silnie ze sobą powiązane, polując na siebie nawzajem, uczestnicząc w wymianach chemicznych i zapewniając korzyści społeczności.
W ramach swojej pracy Gowda i współpracownicy wykorzystali zbiór danych pobranych ze światowej kolekcji próbek wierzchniej warstwy gleby, sekwencjonując genomy drobnoustrojów obecnych w próbkach i analizując ważne właściwości gleby – takie jak zawartość azotu i węgla oraz pH, będące miarą kwasowości gleby.
„Chcieliśmy przyjrzeć się trendom, które są powszechne i które będą się manifestować na całej planecie w bardzo różnych środowiskach” – powiedział Gowda.
Ponieważ w próbce gleby znajdowały się miliardy bakterii, naukowcy oparli się na składzie genetycznym społeczności mikroorganizmów, aby określić ich role funkcjonalne.
Zespół skupił się na genach, które zidentyfikowały bakterie biorące udział w denitryfikacji – przekształcające związki azotu z form biodostępnych w tlenek azotu i gaz diazotowy, który jest uwalniany do atmosfery. Analiza bioinformatyczna wykazała, że pH gleby było najważniejszym czynnikiem środowiskowym związanym z liczebnością tych organizmów.
Aby przetestować wyniki statystyczne, naukowcy przeprowadzili laboratoryjne eksperymenty wzbogacające, hodując naturalną społeczność mikroorganizmów w różnych warunkach wzrostu.
Podczas denitryfikacji specyficzne enzymy odgrywają rolę w przekształcaniu azotanów w różne związki zawierające azot. Jedna z tych form, azotyn, jest bardziej toksyczna w kwaśnej glebie (niskie pH) niż w warunkach obojętnych o wyższym pH.
Eksperymenty wykazały, że szczepy posiadające enzymy o nazwie Nar, odpowiedzialne za wytwarzanie toksycznych azotynów, oraz szczepy posiadające enzymy o nazwie Nap, odpowiedzialne za zużywanie azotynów, zmieniały się w zależności od kwasowości gleby.
„Znaleźliśmy więcej Nar przy niskim pH i mniej Nap, i odwrotnie, gdy pH gleby zbliżyło się do neutralnego” — powiedział Gowda. „Widzimy więc dwa różne typy organizmów dominujących przy kwaśnym i neutralnym pH, ale odkryliśmy również, że to tak naprawdę nie wyjaśnia, co się dzieje. To nie tylko środowisko decyduje, kto tam jest — to w rzeczywistości środowisko plus interakcje między większą liczbą organizmów w społeczności.
„Oznacza to, że pH wpływa na interakcje między organizmami w społeczności w mniej lub bardziej spójny sposób – zawsze chodzi o toksyczność azotynu. I to podkreśla, jak różne bakterie współpracują ze sobą, aby rozwijać się w różnych poziomach pH gleby”.
To odkrycie było nowatorskie i ważne, powiedział Gowda. Wiadomo, że bakterie i inne mikroorganizmy są napędzane wolą przetrwania, ale polegają również na sobie nawzajem, aby zachować bezpieczeństwo — a ta współpraca ma implikacje dla zdrowia środowiskowego, sugerują badania.
„Podczas gdy indywidualne efekty sprawnościowe odgrywają oczywistą rolę w definiowaniu wzorców w wielu kontekstach, interakcje są prawdopodobnie niezbędne do wyjaśnienia wzorców w wielu innych kontekstach” – piszą autorzy.
Zrozumienie, w jaki sposób interakcje i środowisko wpływają na emisje podtlenku azotu, może dostarczyć nowych spostrzeżeń na temat redukcji tego silnego gazu cieplarnianego, powiedział Gowda: Bakterie denitryfikacyjne są kluczowymi źródłami i pochłaniaczami podtlenku azotu w glebach rolniczych. Podczas gdy poprzednie badania skupiały się na zachowaniu tych organizmów emitujących podtlenek azotu w różnych warunkach pH, rozważenie ich ekologicznych interakcji może zaoferować nowe strategie obniżania emisji.
Pracę tę wsparły: National Science Foundation, University of Chicago, National Institute of General Medical Sciences, stypendium podoktorskie Fundacji Jamesa S. McDonnella oraz stypendium Fannie i Johna Hertza.
Współautorami są Seppe Kuehn, Kyle Crocker, Kiseok Keith Lee, Milena Chakraverti-Wuerthwein i Zeqian Li z University of Chicago; Michaił Tichonow z Washington University w St. Louis; i Madhav Mani z Northwestern University.