Studerar mikrobiella samhällen i San Joaquin Deltas risfält, forskare kopplade mikrobiell metabolism och näringstillgång till markens kolomsättningshastighet.

Att etablera de inbördes förhållandena mellan mikrobiell metabolism, Tillgänglighet av näringsämnen och markens kolomloppshastighet är avgörande för att tillämpa genomisk information för att förstå den globala kolcykeln. Genom att visa hur mikrobiell metabolism regleras av kopplad näringskretslopp och markens koltillgänglighet, forskare visar hur genomiska studier av mikrobiella samhällen kan skalas upp till ekosystemnivå, som kommer att bidra till en djupare förståelse av ekologiska processer och kommer att hjälpa utvecklingen av bättre globala koldioxidcykliska modeller.

För att bättre förstå sambandet mellan kolcykling, tillgång till näringsämnen, och mikrobiella samhällen i jord är det nödvändigt att genomföra studier över en näringsgradient. Risfält är modellsystem för våtmarker som gör det möjligt för forskare att fokusera på utvalda biogeokemiska variabler, medan faktorer som vatten och växtlighet kontrolleras. Intill de restaurerade våtmarkerna på Twitchell Island finns risfält med markens kolhalt som kan variera mellan 2,5 procent och 25 procent, täcker mycket av det globala utbudet av kol som finns i jordar. Våtmarker är av intresse för det amerikanska energidepartementet för att förstå mikrobiella samhällens roller i långsiktiga effekter på koldioxidutsläpp och kolbindning. Dessa ekosystem kan fånga upp så mycket som 30 procent av det globala kolet i marken men bidrar med nästan 40 procent av de globala metanutsläppen, ger en möjlighet att förstå deras roller som både kolsänkor och kolkällor. Forskare vid Joint Genome Institute, en användaranläggning för DOE Office of Science, studerade ekosystemen på Twitchell Island i Sacramento-San Joaquin Delta, där U.S. Geological Survey hade en pilotstudie på återställda våtmarker.

En kombination av metagenomisk sekvensering av jordprover, biogeokemisk karakterisering och veckovisa mätningar av växthusgasutsläpp ledde till teamets resultat, publiceras i ISME Journal . Fynden tyder på att de mikrobiella metaboliska hastigheterna överensstämmer med biologisk stökiometriteori, en metabolisk teori om ekologi som antyder att organismer med snabbare tillväxthastigheter kräver mer fosfor för att öka kväverik proteinsyntes. Tills nu, denna teori hade inte tillämpats på markmikrober in situ på grund av metodologiska begränsningar, som forskarna tog upp med hjälp av en ny genomisk metod.

Att studera de mikrobiella samhällena i dessa jordar, forskarna fann att hastigheten med vilken mikrober bryter ner organiskt material är kopplat till tillgången på kol, kväve och fosfor i marken. Specifikt, Tillgången på fosfor är en nyckelfaktor för att bestämma kolkretsloppshastigheten i marken. Ett överflöd av fosfor ökar mikrobiell aktivitet och metaboliska hastigheter, vilket i sin tur innebär högre koldioxidomsättning. Lägre fosfor i mark med hög kolhalt kan hjälpa till att stabilisera ackumulerat kol, medan jordar med höga fosforhalter snabbare kan förlora kolförråd. Dessa associationer i ekosystemskalan återspeglades också i genomiska data från markmikroberna som driver markelementens cykling. Jordmetagenomsekvensdata utvärderades för mikrobiell potential att metabolisera kol, kväve och fosfor, medan programvara för prediktiv funktionell profilering gjorde det möjligt för forskarna att jämföra avvägningar i dessa funktioner bland mikrobiella linjer. Detta tillvägagångssätt avslöjade kluster av genomsekvenser som kunde grupperas i "skrån" baserat på genomiska profiler av metaboliska gener, som forskarna använde för att utveckla nya förutsägbara modeller av mikrobiell samhällssammansättning och jordcykelcykling. Detta arbete är ett viktigt framsteg mot att förstå förhållandet mellan mikrobiella samhällen och marknäringsämnen och effekterna av dessa interaktioner på ekosystemaktivitet och hälsa.