Хотя основополагающая концепция экологии предполагает, что физическая среда определяет, где организмы могут выживать, современные ученые подозревают, что в истории формирования микробных сообществ в почве есть нечто большее. Исследование было опубликовано в журнале Nature Microbiology.
В новом исследовании ученые с помощью статистического анализа и экспериментов определили, что pH почвы является движущей силой состава микробного сообщества, но необходимость решения проблемы токсичности, выделяемой в ходе круговорота азота, в конечном итоге формирует окончательное микробное сообщество.
«Физическая среда влияет на природу микробных взаимодействий, а это влияет на сборку сообщества», — сказала соавтор исследования Карна Гоуда из Университета штата Огайо. «Люди в этой области понимали, что эти две вещи должны быть важны на каком-то уровне, но доказательств этому было мало. Мы добавляем к этой идее некоторую специфику и механизмы».
По словам Гоуды, эта работа помогает прояснить микробную основу глобального круговорота азота и может дать новый взгляд на выбросы закиси азота — мощного парникового газа.
Микробы поддерживают здоровье и продуктивность почвы, перерабатывая питательные вещества, и особенно важны для преобразования азота в формы, которые могут использовать растения. Подземные организмы, живущие в одной среде, также тесно взаимосвязаны, охотясь друг на друга, участвуя в химическом обмене и принося пользу обществу.
Для этой работы Гоуда и ее коллеги использовали набор данных из всемирной коллекции образцов верхнего слоя почвы, секвенировали геномы микробов, присутствующих в образцах, и проанализировали важные характеристики почвы, такие как содержание азота и углерода, а также pH — показатель кислотности почвы.
«Мы хотели рассмотреть широко распространенные тенденции, которые проявляются по всей планете в самых разных условиях», — сказала Гоуда.
Учитывая, что в образце почвы присутствуют миллиарды бактерий, исследователи опирались на генетический состав микробных сообществ, чтобы определить их функциональные роли.
Команда сосредоточилась на генах, которые определяли, какие бактерии участвуют в денитрификации — преобразовании соединений азота из биодоступных форм в закись азота и газ диазот, который выбрасывается в атмосферу. Биоинформационный анализ показал, что pH почвы является наиболее важным фактором окружающей среды, связанным с обилием этих организмов.
Для проверки статистических данных исследователи провели лабораторные эксперименты по обогащению, подвергая естественное микробное сообщество различным условиям роста.
В процессе денитрификации определенные ферменты играют роль в преобразовании нитрата в различные азотсодержащие соединения. Одна из этих форм, нитрит, более токсична в кислой почве (низкий pH), чем в нейтральных условиях с высоким pH.
Эксперименты показали, что штаммы с ферментами Nar, связанными с образованием токсичного нитрита, и штаммы с ферментами Nap, связанными с потреблением нитрита, колебались в зависимости от кислотности почвы.
«Мы обнаружили больше Nar при низком pH и меньше Nap, и наоборот, когда pH почвы приближается к нейтральному», — сказала Гоуда. «Таким образом, мы видим два разных типа организмов, преобладающих при кислом и нейтральном pH, но мы также обнаруживаем, что это на самом деле не объясняет, что происходит. Не только окружающая среда определяет, кто там находится — на самом деле это окружающая среда плюс взаимодействия между большим количеством организмов в сообществе. Это означает, что pH влияет на взаимодействие между организмами в сообществе более или менее последовательно — речь всегда идет о токсичности нитрита. И это подчеркивает, как различные бактерии работают вместе, чтобы процветать в различных уровнях pH почвы».
Это открытие было новым и важным, сказала Гоуда. Известно, что бактерии и другие микроорганизмы движимы желанием выжить, но они также полагаются друг на друга, чтобы оставаться в безопасности, и это сотрудничество имеет последствия для здоровья окружающей среды, предполагает исследование.
«Хотя индивидуальные эффекты приспособленности, несомненно, играют роль в определении закономерностей во многих контекстах, взаимодействия, вероятно, имеют важное значение для объяснения закономерностей в различных других контекстах», — пишут авторы.
Понимание того, как взаимодействия и окружающая среда влияют на выбросы закиси азота, может дать новые идеи по сокращению этого мощного парникового газа, сказала Гоуда. Денитрифицирующие бактерии являются ключевыми источниками и поглотителями закиси азота в сельскохозяйственных почвах. В то время как предыдущие исследования были сосредоточены на поведении этих организмов, выделяющих закись азота, в различных условиях pH, рассмотрение их экологических взаимодействий может предложить новые стратегии для снижения выбросов.
