Исследование показало, что почвенный pH устанавливает правила взаимодействий между микробами.
Хотя основополагающая концепция экологии предполагает, что пригодное для жизни организмов пространство определяется физической средой, современные учёные подозревали, что в истории формирования микробных сообществ в почве есть пробелы.
В новом исследовании учёные, используя статистический анализ и экспериментальные данные, определили, что на состав микробного сообщества влияет pH почвы, но что в конечном итоге микробное сообщество формируется в результате необходимости решения проблемы токсичности, возникающей благодаря круговороту азота.
«Физическая среда влияет на природу взаимодействий между микробами, которая влияет на состав сообщества, — говорит один из ведущих авторов работы, Карна Гауда, адъюнкт-профессор микробиологии в Университете штата Огайо. — Те, кто работает в этой области, понимали, что на некотором уровне это должно иметь важное значение, но доказательств было немного. Мы расширили понимание специфики и механизмов этой идеи».
«Работа помогает прояснить микробную основу глобального круговорота азота и может обеспечить новое понимание проблемы выбросов закиси азота, мощного парникового газа», — говорит Гауда.
Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале «Nature Microbiology».
Микробы сохраняют почву здоровой и плодородной, перерабатывая питательные вещества, и особенно важны для преобразования азота в формы, необходимые для жизни растений. Подземные организмы, живущие в той же среде, так же тесно взаимосвязаны: они охотятся друг на друга, участвуют в обмене химическими веществами и работают во благо сообщества.
Для выполнения этой работы Гауда с коллегами использовали массив данных из мировой коллекции образцов почвеных покровов, просеквенировав присутствующие в образцах геномы и проанализировав такие важные характеристики почвы, как содержание азота и углерода и pH, показатель кислотности почвы.
«Мы хотели рассмотреть тенденции, имеющие широкое распространение и проявляющиеся по всей планете в очень разных средах», — говорит Гауда.
Учитывая наличие в любом образце почвы миллиардов бактерий, исследователи основывались на генетическом составе микробных сообществ, чтобы определить их функциональную роль.
Учёные сконцентрировались на генах, которые определяют, какие из бактерий участвуют в денитрификации — преобразовании соединений азота из биодоступных форм в закись азота и молекулярный азот, который уходит в атмосферу. Биоинформатический анализ показал, что pH почвы — важнейший фактор среды, связанный с видовым обилием этих организмов.
Чтобы проверить статистические данные, учёные провели эксперименты по лабораторному обогащению, предоставив природному микробному сообществу различные условия для роста.
Во время денитрификации специфические ферменты играют роль в преобразовании нитрата в различные азотистые соединения. Одна из этих форм, нитрит, более токсична в кислой почве (с низким pH), чем при нейтральных условиях с более высоким pH.
Эксперименты показали, что количество штаммов с ферментом Nar, связанным с образованием токсичного нитрита, и штаммов с ферментом Nap, связанным с поглощением нитрита, варьировалось в зависимости от кислотности почвы.
«При низком pH мы находили больше Nar и меньше Nap, и наоборот, когда pH почвы становился более нейтральным, — говорит Гауда. — Таким образом, мы наблюдаем, что при кислотном и нейтральном pH преобладают два различных типа организмов, но мы также обнаруживаем, что фактически это не объясняет происходящее. Определяющим фактором здесь является не просто среда — на самом деле это среда плюс взаимодействия между организмами сообщества.
Это значит, что pH влияет на взаимодействия между организмами сообщества более или менее систематическим образом — это всегда связано с токсичностью нитрита. И это подчёркивает то, каким образом бактерии совместными усилиями пытаются выжить при изменяющихся уровнях pH в почве».
Гауда говорит, что полученные данные обладают новизной и значимостью. «Известно, что бактериями и другими микроорганизмами движет желание выжить, но помимо этого они полагаются друг на друга, чтобы быть в безопасности, и это сотрудничество имеет значение для экологического благополучия», — предполагает учёный.
«Хотя индивидуальное благополучие во многих контекстах очевидно играет роль в формировании системы, скорее взаимодействие является ключевым для понимания системы в других контекстах», — пишут авторы.
Гауда говорит, что понимание того, каким образом взаимодействия [между организмами] и среда влияют на выбросы закиси азота, может обеспечить новые сведения для снижения объёмов этого важного парникового газа: денитрифицирующие бактерии являются ключевым источником и поглотителями закиси азота в сельскохозяйственных почвах. Хотя в предыдуших исследованиях учёные концентрировались на поведении этих производящих закись азота организмах при различных показателях pH, изучение их экологических взаимодействий может обеспечить новые стратегии для снижения выброса [этого газа].
Работа проводилась при поддержке Национального фонда науки США, Университета Чикаго, Национального института общемедицинских наук и частных фондов.
Автор статьи — Эмили Колдуэлл (Emily Caldwell).
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Университетом штата Огайо.
Вам также может быть интересно: