Naukowcy odkryli, że mikrobiomy glebowe, składające się z aż 10 tys gatunek w zaledwie szklance gleby, odgrywają kluczową rolę w obiegu składników odżywczych i węgla poprzez złożone interakcje i wymianę zasobów.
Niedawne badania skupiające się na korrynoidach – składnikach odżywczych z rodziny witaminy B12 – pokazują, w jaki sposób związki te wpływają na rozwój drobnoustrojów i zdrowie gleby. Odkrycia te mogą prowadzić do nowych metod manipulowania mikrobiomami glebowymi w celu poprawy funkcji ekosystemu.
Różnorodność i interakcja mikrobiomu
Mikrobiologiczne społeczności lub mikrobiomy, szczególnie te w glebysą niezwykle różnorodne i zawierają do 10 000 gatunków w zaledwie jednej filiżance gleby. Naukowcy badają, w jaki sposób te mikrobiomy i ich członkowie dostosowują się do środowiska, ponieważ interakcje te znacząco wpływają na właściwości i skład gleb.
Ostatnie badania dotyczyły interakcji różnych gatunków drobnoustrojów i wymiany ważnych zasobów, takich jak witaminy, ze szczególnym uwzględnieniem korrynoidów – grupy składników odżywczych obejmujących witaminę B12. Ponieważ wiele bakterii środowiskowych nie jest w stanie samodzielnie wytwarzać tych składników odżywczych, zrozumienie sposobu, w jaki je wymieniają, może dostarczyć cennych informacji na temat tego, w jaki sposób mikrobiomy regulują podstawowe procesy, takie jak węgiel i obieg składników odżywczych.
Zdrowie gleby i rola mikrobiologiczna
Gleby odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu zdrowia ekosystemu poprzez magazynowanie materii organicznej, obieg składników odżywczych, filtrowanie i zatrzymywanie wody oraz zapewnianie wsparcia fizycznego i składniki odżywcze dla roślin. Mikroorganizmy odgrywają kluczową rolę w tych funkcjach, co sprawia, że możliwość wpływania na zachowanie mikrobiomów jest potencjalnie potężnym narzędziem poprawiającym wydajność gleby.
Obydwa badania wykazały, że korrynoidy nie tylko wpływają na wzrost poszczególnych bakterii glebowych w warunkach laboratoryjnych, ale także wpływają na przetrwanie i współistnienie bakterii w środowiskach glebowych. Odkrycia te torują drogę innowacyjnym strategiom zarządzania mikrobiomami i poprawy stanu gleby.
Badania nad wpływem korrynoidów
Złożoność interakcji drobnoustrojów stanowi wyzwanie dla badaczy chcących zrozumieć funkcję mikrobiomu. Dwa ostatnie badania skupiały się na korrynoidach, kluczowej rodzinie wspólnych składników odżywczych w rodzinie witaminy B12, aby zbadać, w jaki sposób reakcje poszczególnych drobnoustrojów na ich środowisko zbiorowo wpływają na funkcjonowanie mikrobiomu glebowego.
Skoncentrowanie się na jednym rodzaju składnika odżywczego umożliwia bardziej szczegółowe badanie mikrobiomów. Obydwa badania osiągnęły dalszą synergię, skupiając się na tej samej glebie łąkowej w Kalifornii, co umożliwiło naukowcom stworzenie ram dla zrozumienia obiegu składników odżywczych w tym systemie.
Eksperymentalne spostrzeżenia na temat mikrobiologicznej wymiany składników odżywczych
Pierwsze badanie skupiało się na wpływie korrynoidów na poszczególne bakterie. Naukowcy wyizolowali ponad 100 bakterii glebowych, z których 37 było nowymi gatunkami, i sprawdzili, czy są w stanie wytwarzać korrynoidy, czy też będą musiały polegać na innych w dostarczaniu korrynoidów. Spośród tych bakterii 60% wytwarzało korrynoidy, ale tylko kilka uwalniało je z komórki podczas hodowli w laboratorium. Odkrycie sugeruje, że organizmy uwalniające korrynoidy mogą dostarczać te krytyczne składniki odżywcze innym członkom społeczności mikrobiomów i mieć duży wpływ na kształtowanie składu i aktywności mikrobiomu w środowisku.
W drugim badaniu zbadano korrynoidy w glebie. Analiza chemiczna wykazała, że gleby zawierają korrynoidy w ilościach przekraczających poziomy wymagane do maksymalnego wzrostu drobnoustrojów, choć większość z nich jest ściśle związana z matrycą gleby. Badanie wykazało ponadto, że dodanie różnych korrynoidów do gleby może przejściowo zmienić mikrobiom gleby. Sugeruje to, że korrynoidy mogą oferować możliwość wpływania na strukturę i zachowanie złożonych mikrobiomów w systemach inżynieryjnych i środowiskowych.
Referencje:
„Rozkład filogenetyczny i charakterystyka eksperymentalna produkcji korrynoidów i zależności w izolatach bakteryjnych w glebie” Zoila I Alvarez-Aponte, Alekhya M Govindaraju, Zachary F Hallberg, Alexa M Nicolas, Myka A Green, Kenny C Mok, Citlali Fonseca-García, Devin Coleman -Derr, Eoin L. Brodie, Hans K. Carlson i Michiko E Taga, 22 kwietnia 2024, Dziennik ISME.
DOI: 10.1093/ismejo/wrae068
„Reakcja społeczności drobnoustrojów glebowych na korrynoidy jest kształtowana przez naturalny zbiornik witaminy B12”: Zachary F Hallberg, Alexa M Nicolas, Zoila I Alvarez-Aponte, Kenny C Mok, Ella T Sieradzki, Jennifer Pett-Ridge, Jillian F Banfield, Hans K. Carlson, Mary K. Firestone i Michiko E. Taga, 4 czerwca 2024 r., Dziennik ISME.
DOI: 10.1093/ismejo/wrae094
Badania te zostały sfinansowane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii (DOE), Biuro Badań Biologicznych i Środowiskowych, Program Nauk Genomicznych i obszar naukowy „Mikrobacje utrzymują się” Mikrobiom gleby. Badania zostały także sfinansowane przez m.in Narodowe Instytuty ZdrowiaNarodowy Instytut Ogólnych Nauk Medycznych, konsorcjum National Graduate Degrees for Minorities in Engineering and Science (GEM), Fundacja Kase-Tsujimoto oraz program Sponsored Projects for Undergraduate Researchers na Uniwersytecie Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley.
