Bakterie "gruvarbetare" visas i relief som arbetar för att bearbeta marknäringsämnen, vissa mer effektivt än andra. Bradyrhizobium, en av de tre bästa näringsbearbetarna som identifierades i studien, visas här som konsoliderar dess kontroll av kol från en glukostillsats, bearbeta näringsämnena med industriell effektivitet (i form av en grävmaskin med skophjul). Kredit:Victor O. Leshyk, Centrum för ekosystemvetenskap och samhälle, Northern Arizona University
Bara några få bakteriella taxa som finns i ekosystem över hela planeten är ansvariga för mer än hälften av kolets kretslopp i marken. Dessa nya rön, gjord av forskare vid Northern Arizona University och publicerad i Naturkommunikation Denna vecka, föreslår att trots mångfalden av mikrobiella taxa som finns i vilda jordar samlade från fyra olika ekosystem, endast tre till sex grupper av bakterier som var vanliga bland dessa ekosystem var ansvariga för det mesta av den kolanvändning som inträffade.
Jord innehåller dubbelt så mycket kol som all växtlighet på jorden, och så förutsäga hur kol lagras i marken och frigörs som CO 2 är en kritisk beräkning för att förstå framtida klimatdynamik. Forskargruppen, som inkluderade forskare från Pacific Northwest National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, University of Massachusetts-Amherst, och West Virginia University, frågar hur sådana nyckelbakteriella processer bör redovisas i jordsystem och klimatmodeller.
"Vi fann att kolcykling verkligen kontrolleras av några få grupper av vanliga bakterier, sa Bram Stone, en postdoktor vid Center for Ecosystem Science and Society vid Northern Arizona University som ledde studien. "Sekvenseringseran har levererat otrolig insikt om hur mångfaldig den mikrobiella världen är, sa Stone, som nu är på Pacific Northwest National Laboratory. "Men våra data tyder på att när det gäller viktiga funktioner som markandning, det kan finnas en hel del redundans inbyggd i marksamhället. Det är några vanliga, många skådespelare som gör störst skillnad."
De där bakterierna - Bradyrhizobium , acidobakterierna RB41 , och Streptomyces -var bättre än sina sällsynta motsvarigheter på att använda både befintligt markkol och näringsämnen som tillförts jorden. När kol och kväve tillsattes, dessa redan dominerande linjer av bakterier konsoliderade sin kontroll över näringsämnen, slukar mer och växer snabbare i förhållande till andra taxa närvarande. Även om forskarna identifierade tusentals unika organismer, och hundratals olika släkten, eller samlingar av arter (t.ex. släktet Canis inkluderar vargar, prärievargar, och hundar), bara sex behövdes för att stå för mer än 50 procent av kolanvändningen, och endast tre var ansvariga för mer än hälften av kolanvändningen i den näringsförstärkta jorden.
Kredit:CC0 Public Domain
Använda vatten märkt med speciella isotoper av syre, Stone och hans team sekvenserade DNA som hittats i jordprover, följa syreisotoperna för att se vilka taxa som införlivade det i deras DNA, en signal som indikerar tillväxt. Denna teknik, kallas kvantitativ stabil isotopprobing (qSIP), gör det möjligt för forskare att spåra vilka bakterier som växer i vild jord på nivån för individuella taxa. Sedan redogjorde teamet för mängden av varje taxon och modellerade hur effektivt bakterier konsumerar markens kol. Modellen som inkluderade taxonomisk specificitet, genomstorlek, och tillväxt förutspådde den uppmätta CO 2 släpper mycket mer exakt än modeller som bara tittade på hur riklig varje bakteriegrupp var. Det visade också att bara ett fåtal taxa producerade det mesta av CO 2 som forskarna observerade.
"Bättre förståelse för hur enskilda organismer bidrar till kolets kretslopp har viktiga konsekvenser för att hantera markens bördighet och minska osäkerheten i klimatförändringsprognoser, sa Kirsten Hofmockel, Microbiome Science Team Lead vid Pacific Northwest National Laboratory och medförfattare till studien. "Denna forskning retar isär taxonomisk och funktionell mångfald av markmikroorganismer och ber oss att överväga biologisk mångfald på ett nytt sätt."
"De mikrobiella demografiska data som denna teknik avslöjar låter oss ställa mer nyanserade frågor, " sa Stone. "Där vi brukade karakterisera en mikrobiell gemenskap genom dess dominerande funktion, hur en hel stat ofta rapporteras ha röstat "för" eller "emot" ett valförslag, nu, med qSIP, vi kan se vem som driver det större mönstret – valresultaten, ' om du vill - på nivån för enskilda mikrobiella stadsdelar, stadskvarter.
"På det här sättet, vi kan börja identifiera vilka jordorganismer som fyller viktiga funktioner, som kolbindning, och studera dem närmare."
