Torra land, som täcker cirka 40 procent av jordens markyta, är för torra för att upprätthålla mycket vegetation. Men långt ifrån att vara karg, de är hem för olika samhällen av mikroorganismer – inklusive svampar, bakterie, och archaea - som bor tillsammans inom de översta millimeterna av jord. Dessa biologiska jordskorpor, eller bioskorpor, kan existera under långa perioder i en uttorkad, vilande tillstånd. När det regnar, mikroberna blir metaboliskt aktiva, sätter igång en kaskad av aktiviteter som dramatiskt förändrar både samhällsstrukturen och markens kemi.

"Dessa bioskorpor och andra jordmikrobiomer innehåller en enorm mångfald av både mikrober och små molekyler ("metaboliter"). sambandet mellan jordens kemiska mångfald och mikrobiell mångfald är dåligt förstått, sa Trent Northen, en senior vetenskapsman vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

I en tidning publicerad 2 januari, 2018, i Naturkommunikation , Berkeley Lab-forskare under ledning av Northen lab rapporterar att specifika föreningar omvandlas av och starkt förknippas med specifika bakterier i naturliga biologiska jordskorpa (bioskorpa) med hjälp av en uppsättning verktyg som Northen kallar "exometabolomics". Att förstå hur mikrobiella samhällen i bioskorporna anpassar sig till sina hårda miljöer kan ge viktiga ledtrådar för att hjälpa till att kasta ljus över markmikrobernas roll i den globala kolcykeln.

Arbetet följer en studie från 2015 som undersökte hur specifika småmolekylära föreningar som kallas "metaboliter" transformerades i en blandning av bakterieisolat från bioskorpsprover odlade i en miljö av metaboliter från samma jord. "Vi fann att mikroberna vi undersökte var "kräsna" ätare, " sa Northen. "Vi trodde att vi kunde använda den här informationen för att länka vad som konsumeras till överflöd av mikrober i det intakta samhället, och därigenom kopplar biologin till kemin."

I den nya studien, utredarna satte sig för att avgöra om de mikrob-metabolitförhållanden som observerades i det förenklade provrörssystemet kunde reproduceras i en mer komplex jordmiljö. Bioskorpor från samma källa - representerande fyra på varandra följande mognadsstadier - var blöta, och jordvattnet togs vid fem tidpunkter. Proverna analyserades med vätskekromatografi-masspektrometri (LC-MS) för att karakterisera metabolitsammansättningen ("metabolomics"), och biocrust-DNA extraherades för hagelgevärssekvensering för att mäta enkelkopia-genmarkörer för den dominerande mikrobearten ("metagenomics").

"När vi jämför mönstren för metabolitupptag och produktion för isolerade bakterier som är relaterade till de mest förekommande mikroberna som finns i bioskorporna, vi finner att, spännande, dessa mönster bibehålls, sade Northen. Det vill säga, ökad förekomst av en given mikrob är negativt korrelerad med de metaboliter som de konsumerar och positivt korrelerade med metaboliter som de frigör.

När den är aktiv, bioskorpor tar upp atmosfärisk koldioxid och binder kväve, bidrar till ekosystemets primära produktivitet. De bearbetar också organiskt material i jord, modifiering av nyckelegenskaper relaterade till markens bördighet och vattentillgång.

"Denna studie tyder på att laboratoriestudier av mikrobiell metabolitbearbetning kan hjälpa till att förstå vilken roll dessa mikrober spelar i kolets kretslopp i miljön. Denna studie får oss närmare att förstå de komplexa näringsnäten som är avgörande för näringsämnesdynamiken och jordens totala bördighet, " sade studiens första författare Tami Swenson, en vetenskaplig ingenjörsassistent i Northens grupp inom Berkeley Lab Biosciences Area's Environmental Genomics and Systems Biology (EGSB) Division.

Northens grupp arbetar för närvarande med att utöka dessa studier för att fånga en större del av mikrobiell mångfald. I sista hand, detta kan möjliggöra förutsägelse av näringsämneskretslopp i terrestra mikrobiella ekosystem, och kanske till och med manipulation genom att lägga till specifika metaboliter.