Почва содержит вдвое больше углерода, чем вся растительность на Земле, поэтому прогнозирование того, как углерод хранится в почве и выделяется в виде CO2, является критически важным расчетом для понимания будущей динамики климата. Исследовательская группа, в которую вошли ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, Массачусетского университета в Амхерсте и Университета Западной Вирджинии, задается вопросом, как такие ключевые бактериальные процессы должны быть учтены в моделях земной системы и климата.
«Мы обнаружили, что круговорот углерода действительно контролируется несколькими группами обычных бактерий», – сказал Брэм Стоун, научный сотрудник Центра экосистемных наук и общества Университета Северной Аризоны, который руководил исследованием. «Эпоха секвенирования дала невероятное понимание того, насколько разнообразен микробный мир», – сказал Стоун, который сейчас работает в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. «Но наши данные показывают, что когда дело доходит до важных функций, таких как дыхание почвы, в почвенном сообществе может быть много избыточности.
Несколько обычных и обильных актеров имеют наибольшее значение."
Эти бактерии – Bradyrhizobium, Acidobacteria RB41 и Streptomyces – лучше, чем их более редкие собратья, использовали как существующий почвенный углерод, так и питательные вещества, добавленные в почву. Когда были добавлены углерод и азот, эти уже доминирующие линии бактерий укрепили свой контроль над питательными веществами, поглощая больше и быстрее расти по сравнению с другими присутствующими таксонами.
Хотя исследователи идентифицировали тысячи уникальных организмов и сотни различных родов или коллекций видов (например, род Canis включает волков, койотов и собак), только шесть были необходимы для учета более 50 процентов использования углерода. и только трое были ответственны за более чем половину использования углерода в почве с повышенным содержанием питательных веществ.
Используя воду, помеченную специальными изотопами кислорода, Стоун и его команда секвенировали ДНК, обнаруженную в образцах почвы, следуя изотопам кислорода, чтобы увидеть, какие таксоны включили его в свою ДНК, сигнал, который указывает на рост. Этот метод, называемый количественным зондированием стабильных изотопов (qSIP), позволяет ученым отслеживать, какие бактерии растут в дикой почве на уровне отдельных таксонов.
Затем команда учла численность каждого таксона и смоделировала, насколько эффективно бактерии потребляют углерод почвы. Модель, которая включала таксономическую специфичность, размер генома и рост, предсказывала измеренное выделение CO2 намного точнее, чем модели, которые смотрели только на то, насколько многочисленна каждая группа бактерий. Он также показал, что всего несколько таксонов производят большую часть CO2, который наблюдали исследователи.
«Лучшее понимание того, как отдельные организмы способствуют круговороту углерода, имеет важное значение для управления плодородием почвы и уменьшения неопределенности в прогнозах изменения климата», – сказала Кирстен Хофмокель, руководитель научной группы по микробиому Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и соавтор исследования. «Это исследование раскрывает таксономическое и функциональное разнообразие почвенных микроорганизмов и предлагает нам по-новому взглянуть на биоразнообразие."
«Демографические данные микробов, полученные с помощью этого метода, позволяют нам задавать более тонкие вопросы», – сказал Стоун. «Если раньше мы характеризовали микробное сообщество по его доминирующей функции, как часто сообщается, что весь штат голосует« за »или« против »предложения о голосовании, то теперь, с помощью qSIP, мы можем увидеть, кто движет этой более широкой схемой – «результаты выборов», если хотите – на уровне отдельных микробных кварталов, городских кварталов.
«Таким образом, мы можем начать определять, какие почвенные организмы выполняют важные функции, такие как связывание углерода, и более внимательно их изучать."