Georgias saltvattenkärr – som bor där land möter havet – sträcker sig längs statens hela 100 mil långa kustlinje. Dessa rika ekosystem domineras till stor del av bara en växt:gräs.
Växten, känd som cordgrass, är en ekosystemingenjör, som tillhandahåller livsmiljöer för vilda djur, renar naturligt vatten när det rör sig från inlandet till havet och håller ihop strandlinjen så att den inte kollapsar. Cordgrass skyddar till och med mänskliga samhällen från tidvattensvallar.
Att förstå hur dessa växter håller sig friska är av avgörande ekologisk betydelse. Till exempel är en känd växtstressfaktor som är utbredd i kärrjordar den lösta svavelföreningen, sulfid, som produceras och konsumeras av bakterier. Men medan Georgias kustlinje har en rik tradition av ekologisk forskning, har det varit svårt att förstå de nyanserade sätten på vilket bakterier interagerar med växter i dessa ekosystem. Tack vare de senaste framstegen inom genomteknologi har Georgia Tech-biologer börjat avslöja aldrig tidigare skådade ekologiska processer.
Teamets arbete publicerades i Nature Communications .
Joel Kostka, Tom och Marie Pattons framstående professor och biträdande ordförande för forskning vid skolan för biologiska vetenskaper, och Jose Luis Rolando, en postdoktor, satte sig för att undersöka förhållandet mellan sladdgräset Spartina alterniflora och de mikrobiella samhällen som bebor deras rötter , identifiera bakterierna och deras roller.
"Precis som människor har tarmmikrober som håller oss friska, är växter beroende av mikrober i sina vävnader för hälsa, immunitet, metabolism och näringsupptag," sa Kostka. "Även om vi har känt till reaktionerna som driver näringsämnen och kols kretslopp i träsket under lång tid, finns det inte så mycket data om mikrobernas roll i ekosystemens funktion."
Ute i kärret
Ett viktigt sätt att växter får sina näringsämnen är genom kvävefixering, en process där bakterier omvandlar kväve till en form som växter kan använda. I myrar har denna roll mest tillskrivits heterotrofer, eller bakterier som växer och får sin energi från organiskt kol. Bakterier som förbrukar växttoxinet sulfid är kemoautotrofer, som använder energi från sulfidoxidation för att underblåsa upptaget av koldioxid för att göra sitt eget organiska kol för tillväxt.
"Genom tidigare arbete visste vi att Spartina alterniflora har svavelbakterier i sina rötter och att det finns två typer:svaveloxiderande bakterier, som använder sulfid som energikälla, och sulfatreducerare, som respirerar sulfat och producerar sulfid, ett känt toxin för växter," sa Rolando. "Vi ville veta mer om vilken roll dessa olika svavelbakterier spelar i kvävets kretslopp."
Kostka och Rolando begav sig till Sapelo Island, Georgia, där de regelbundet har utfört fältarbete i saltmyrarna. När de vadade in i träsket, med spadar och hinkar i handen, samlade forskarna och deras studenter snörgräs tillsammans med de leriga sedimentproverna som klänger sig fast vid deras rötter. Tillbaka vid fältlaboratoriet samlades teamet runt en bassäng fylld med bäckvatten och tvättade försiktigt gräset och skiljde försiktigt växtrötterna åt.
Därefter använde de en speciell teknik som involverade tyngre versioner av kemiska element som förekommer i naturen som spårämnen för att spåra de mikrobiella processerna. De analyserade också DNA och RNA från mikroberna som lever i olika avdelningar av växterna.
Med hjälp av en sekvenseringsteknik känd som shotgun metagenomics kunde de hämta DNA från hela mikrobiella samhället och rekonstruera genom från nyupptäckta organismer. På liknande sätt gjorde oriktad RNA-sekvensering av det mikrobiella samhället dem att bedöma vilka mikrobiella arter och specifika funktioner som var aktiva i nära anslutning till växtrötter.
Genom att använda denna kombination av tekniker fann de att kemoautotrofa svaveloxiderande bakterier också var involverade i kvävefixering. Dessa bakterier hjälpte inte bara växterna genom att avgifta rotzonen, utan de spelade också en avgörande roll för att ge kväve till växterna. Bakteriernas dubbla roll i svavelkretslopp och kvävefixering understryker deras betydelse i kustnära ekosystem och deras bidrag till växthälsa och tillväxt.
"Växter som växer i områden med höga nivåer av sulfidackumulering tenderar att vara mindre och mindre friska", säger Rolando. "Men vi fann att de mikrobiella samhällena i Spartinas rötter hjälper till att avgifta sulfiden, vilket förbättrar växternas hälsa och motståndskraft."
Cordgrasses är inte bara huvudaktören i Georgia myrar; de dominerar också kärrlandskap över hela sydost, inklusive Carolinas och Gulf Coast. Dessutom fann forskarna att samma bakterier är förknippade med trådgräs, mangrove och sjögräsrötter i kustnära ekosystem över hela planeten.
"Mycket av kustlinjen i tropiska och tempererade klimat är täckt av kustnära våtmarker," sa Rolando. "Dessa områden hyser sannolikt liknande mikrobiella symbioser, vilket innebär att dessa interaktioner påverkar ekosystemens funktion på global skala."
Framöver planerar forskarna att ytterligare undersöka detaljerna om hur kärrväxter och mikrober utbyter kväve och kol, med hjälp av toppmoderna mikroskopitekniker i kombination med ultrahögupplöst masspektrometri för att bekräfta sina fynd vid encellscellen nivå.
"Vetenskapen följer tekniken, och vi var glada över att använda de senaste genomiska metoderna för att se vilka typer av bakterier som fanns där och aktiva," sa Kostka. "Det finns fortfarande mycket att lära om de invecklade förhållandena mellan växter och mikrober i kustnära ekosystem, och vi börjar avslöja omfattningen av den mikrobiella komplexiteten som håller kärr friska."
Mer information: J. L. Rolando et al, Svaveloxidation och -reduktion är kopplade till kvävefixering i rötterna av saltmarksgrundsväxten Spartina alterniflora, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47646-1
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Georgia Institute of Technology
