Om ett träd faller i skogen – oavsett om någon registrerar ljudet eller inte – är en sak säker:det finns massor av svampar runt omkring. I en skogs jord bryter hundratals arter ner skräp, mobiliserar näringsämnen från det förfallet och levererar dessa näringsämnen till trädrötter och jord. Dessa svampar hjälper till att forma en skogs ekologi. De lagrar kol och cirkulerar viktiga näringsämnen som kväve och fosfor.
På så sätt håller svamparna i skogsmarken nyckeln till trädhälsa och kollagring – färdigheter som betyder allt mer när klimatet värms upp. Detta är dock komplicerade interaktioner att reda ut. Svampar samarbetar för att stödja en skog, och arter varierar mellan jordens ekosystem.
Nyligen i arbete publicerat i New Phytologist , har forskare banat väg för ny förståelse för vilka svampar som tar vissa funktioner på skogsbotten. För första gången jämförde de tre olika svampskrån på en rad olika platser. De tog prov på jordar i fyra skogsekosystem, extraherade RNA för att förstå genuttryck och utvecklade nya verktyg för att kartlägga jord-RNA till svampgenom.
U.S. Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI), en DOE Office of Science User Facility belägen vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) sekvenserade 1 biljon baser – en terabas – av jord-RNA för detta projekt, och producerade referensgenom som möjliggjorde kartläggning av dessa RNA-avläsningar. "För närvarande är detta det största JGI-sekvenserade svampmetatranskriptomet hittills", säger Igor Grigoriev, programchef för svampgenomik vid JGI.
Tillsammans med en förbättrad förståelse för flera skogssystem skapar detta arbete protokoll och pipelines som andra team kan använda runt om i världen.
Dessa verktyg ger forskare ett sätt att komma åt mycket mer information om svampar i dessa miljöer. "Nu med dessa nya verktyg - metatranskriptomik, RNA-sekvensering av jord-RNA - kan vi komma åt -" Vad gör de? Hur interagerar de?'" sa seniorförfattaren Francis Martin, forskningschef emeritus vid National Research Institute for Agriculture, Food and Environment (INRAE).
För denna studie samlade forskare jordprover från fyra platser:Aspurz, Spanien; Champenoux, Frankrike; Lamborn, Sverige; Montmorency, Kanada. Dessa platser representerar medelhavsskogar, tempererade och boreala skogar.
Många olika svampar förekommer i jordproverna i dessa olika biomer; skogarna delar bara cirka 20 % av sina svamparter. För att göra användbara jämförelser var forskarna tvungna att arbeta utanför taxonomin. "Och sättet vi hittade var att fokusera på jämförelse av uttrycksnivåer mellan trofiska svampskrån", säger Lucas Auer, forskningsingenjör vid INRAE och en av de första författarna till detta arbete.
För att jämföra dessa trofiska skrå fokuserade detta team på tre huvudgrupper av svampar som dök upp i alla skogar de provade. Dessa skrå är gemensamma för skogar runt om i världen, såväl som ängar och betesmarker:saprotrofer tar isär skräp och döda organismer för att frigöra sina näringsämnen; mykorrhiza symbionter transporterar vatten och näringsämnen till träd; växtpatogener koloniserar levande växter för att livnära sig på dem.
Tvärs över skogstyperna kammade Martin och hans team jordprover för att se vilka gener dessa tre svampskrån använde för att växa och metabolisera näringsämnen. De sekvenserade allt RNA som hittades i jordprover och satte ihop dessa RNA-transkript till ett metatranskriptom.
Sammantaget fann de att trots stor artmångfald utförde varje skrå anmärkningsvärt liknande funktioner över olika skogar. Primär metabolism, cellaktivitet och svamputveckling såg ganska lika ut för varje skrå av saprotrofer, mykorrhizasymbionter och patogener, oavsett om ett prov kom från jorden under en tall eller en ek, i Sverige eller Quebec.
Ekologiskt antyder Martin att denna övertalighet är skyddande, lite som att diversifiera en investeringsportfölj. Om en stress som en löpeld eller torka hotar vissa svamparter, kommer andra svampar att fylla i nödvändiga funktioner.
Detta arbete visar också på ny överlappning mellan olika svampskråns funktioner. Saprotrofer och mykorrhizala symbionter har historiskt sett delats in i separata ekologiska nischer – återvinningsföretag respektive transportörer. Martins team fann dock att båda skråen uttrycker liknande gener för att nedbryta svampcellsväggar, den så kallade svampnekromassan, vilket tyder på att dessa skrå delar ansvaret för att återvinna dött svampmaterial.
Detta projekt härrör från ett förslag till Community Science Program som Martin lämnade in 2012. Då hade fältet undersökt många olika marksamhällen för taxonomisk mångfald. Dessa studier kunde peka ut populationer, men de sa lite om vilka arter som gjorde vad.
För att förstå hur svampsamhällen delade på sina uppgifter valde Martin och hans team att profilera RNA för en syn på svampgenexpression. De skulle behöva befintliga svampgenom för att kartlägga genuttryck till funktioner och svamparter. Inledningsvis var kartläggning av RNA-sekvenser på detta sätt utmanande, enligt Martin. "För tolv år sedan, när vi kartlade det första sekvenserade RNA:t från jorden, var bara 10% av dem kartlagda till svampgenomerna vid JGI," sa Martin.
En insats som kallas projektet 1000 Fungal Genomes ändrade det. Detta är ett flerårigt projekt i samarbete med JGI för att sekvensera 1 000 referensgenom från hela livets svampträd. Martin är en av projektledarna. Efter att ha börjat med cirka 200 svampgenom, på bara några år, sade han, hade projektet 1000 svampgenom, tillsammans med andra CSP-projekt, sekvenserat över 2 000 svampgenom.
JGI sekvenserade, satte ihop och kommenterade dessa genom i samarbete med dussintals partners. "Detta var en enorm samhällsinsats, med över 100 forskare som nominerade arter för sekvensering och sedan skickade DNA- och RNA-prover till JGI," sa Grigoriev. Alla dessa genom finns tillgängliga på MycoCosm.
Om uppgiften att kartlägga svamp-RNA till sekvenser från början var lite av en krokig, slingrande väg, öppnade detta nya inflöde av genom en motorväg för samma väg. "Det var verkligen fantastiskt hur kvaliteten på data förbättrades tack vare den enorma mängden nya genom," sa Martin.
Projektet 1000 Fungal Genomes är på väg framåt för att möjliggöra fler studier som denna. Martin säger att ännu fler genom kommer att leda till ännu mer förståelse, eftersom andra forskare analyserar RNA från marksamhällen över hela Sydamerika, Kina, Europa och USA.
"Under de närmaste åren tror jag att vi kommer att ha en slags global karta över svampens mångfald, men vi saknar fortfarande funktionerna", sa Martin. "Så tack vare den typ av program som vi har utvecklat med JGI har vi verktygen för att verkligen få information om funktionerna i denna svampgemenskap, från polerna till tropikerna."
Mer information: Lucas Auer et al, Metatranscriptomics belyser kopplingarna mellan de funktionella egenskaperna hos svampskrån och ekologiska processer i skogsmarksekosystem, New Phytologist (2023). DOI:10.1111/nph.19471
Journalinformation: Ny fytolog
Tillhandahålls av DOE/Joint Genome Institute
