Wetenschap
Van wortels tot veerkracht:onderzoek naar de vitale rol van microben in de gezondheid van kustplanten
De zoutwatermoerassen van Georgië – waar het land de oceaan ontmoet – strekken zich uit langs de gehele 160 kilometer lange kustlijn van de staat. Deze rijke ecosystemen worden grotendeels gedomineerd door slechts één plant:gras.
De plant staat bekend als cordgrass en is een ecosysteemingenieur die leefgebieden biedt voor dieren in het wild, op natuurlijke wijze water reinigt terwijl het van het binnenland naar de zee beweegt, en de kustlijn bij elkaar houdt zodat deze niet instort. Cordgrass beschermt zelfs menselijke gemeenschappen tegen vloedgolven.
Begrijpen hoe deze planten gezond blijven is van cruciaal ecologisch belang. Een bekende plantenstressor die veel voorkomt in moerasbodems is bijvoorbeeld de opgeloste zwavelverbinding, sulfide, die door bacteriën wordt geproduceerd en geconsumeerd. Maar hoewel de kustlijn van Georgië kan bogen op een rijke traditie van ecologisch onderzoek, is het ongrijpbaar gebleken om de genuanceerde manieren te begrijpen waarop bacteriën interageren met planten in deze ecosystemen. Dankzij de recente vooruitgang in de genomische technologie zijn biologen van Georgia Tech begonnen met het onthullen van nog nooit eerder vertoonde ecologische processen.
Het werk van het team werd gepubliceerd in Nature Communications .
Joel Kostka, de vooraanstaande professor van Tom en Marie Patton en universitair hoofddocent voor onderzoek aan de School of Biological Sciences, en Jose Luis Rolando, een postdoctoraal onderzoeker, wilden de relatie onderzoeken tussen het koordgras Spartina alterniflora en de microbiële gemeenschappen die hun wortels bewonen. , waarbij de bacteriën en hun rol worden geïdentificeerd.
"Net zoals mensen darmmicroben hebben die ons gezond houden, zijn planten afhankelijk van microben in hun weefsels voor hun gezondheid, immuniteit, metabolisme en opname van voedingsstoffen," zei Kostka. "Hoewel we al lang op de hoogte zijn van de reacties die de cycli van nutriënten en koolstof in het moeras aandrijven, zijn er niet zoveel gegevens over de rol van microben in het functioneren van ecosystemen."
In het moeras
Een belangrijke manier waarop planten hun voedingsstoffen binnenkrijgen is via stikstoffixatie, een proces waarbij bacteriën stikstof omzetten in een vorm die planten kunnen gebruiken. In moerassen wordt deze rol vooral toegeschreven aan heterotrofen, of bacteriën die groeien en hun energie halen uit organische koolstof. Bacteriën die het plantentoxinesulfide consumeren zijn chemoautotrofen, die energie uit sulfide-oxidatie gebruiken om de opname van kooldioxide te stimuleren om hun eigen organische koolstof te maken voor groei.
"Door eerder onderzoek wisten we dat Spartina alterniflora zwavelbacteriën in zijn wortels heeft en dat er twee soorten zijn:zwaveloxiderende bacteriën, die sulfide als energiebron gebruiken, en sulfaatreduceerders, die sulfaat inademen en sulfide produceren, een bekend toxine. voor planten,' zei Rolando. "We wilden meer weten over de rol die deze verschillende zwavelbacteriën spelen in de stikstofcyclus."
Kostka en Rolando gingen naar het eiland Sapelo, Georgia, waar ze regelmatig veldwerk deden in de kwelders. Terwijl ze het moeras in waadden, met schoppen en emmers in de hand, verzamelden de onderzoekers en hun studenten koordgras samen met de modderige sedimentmonsters die zich aan hun wortels vastklampten. Terug in het veldlaboratorium verzamelde het team zich rond een bassin gevuld met kreekwater en waste het gras zorgvuldig, waarbij de plantenwortels voorzichtig werden gescheiden.
Vervolgens gebruikten ze een speciale techniek waarbij zwaardere versies van chemische elementen die in de natuur voorkomen als tracers worden gebruikt om de microbiële processen te volgen. Ze analyseerden ook het DNA en RNA van de microben die in verschillende compartimenten van de planten leven.
Met behulp van een sequencingtechnologie die bekend staat als shotgun-metagenomics, waren ze in staat om het DNA van de hele microbiële gemeenschap te achterhalen en genomen van nieuw ontdekte organismen te reconstrueren. Op dezelfde manier stelde ongerichte RNA-sequencing van de microbiële gemeenschap hen in staat te beoordelen welke microbiële soorten en specifieke functies actief waren in nauwe samenwerking met plantenwortels.
Met behulp van deze combinatie van technieken ontdekten ze dat chemoautotrofe zwaveloxiderende bacteriën ook betrokken waren bij stikstoffixatie. Niet alleen hielpen deze bacteriën planten door de wortelzone te ontgiften, maar ze speelden ook een cruciale rol bij het leveren van stikstof aan de planten. Deze dubbele rol van de bacteriën in de zwavelcyclus en stikstoffixatie benadrukt hun belang in kustecosystemen en hun bijdrage aan de gezondheid en groei van planten.
"Planten die groeien in gebieden met een hoge mate van sulfideaccumulatie zijn doorgaans kleiner en minder gezond", zegt Rolando. "We ontdekten echter dat de microbiële gemeenschappen binnen de wortels van Spartina helpen het sulfide te ontgiften, waardoor de gezondheid en veerkracht van planten wordt verbeterd."
Lokale tot mondiale betekenis
Snoergrassen zijn niet alleen de belangrijkste speler in de moerassen van Georgië; ze domineren ook moeraslandschappen in het hele zuidoosten, inclusief de Carolinas en de Golfkust. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat dezelfde bacteriën worden geassocieerd met koordgras, mangrove en zeegraswortels in kustecosystemen over de hele planeet.
"Een groot deel van de kustlijn in tropische en gematigde klimaten is bedekt met wetlands aan de kust", zei Rolando. "Deze gebieden herbergen waarschijnlijk soortgelijke microbiële symbiose, wat betekent dat deze interacties het functioneren van ecosystemen op wereldschaal beïnvloeden."
Vooruitkijkend zijn de onderzoekers van plan om de details van hoe moerasplanten en microben stikstof en koolstof uitwisselen verder te onderzoeken, met behulp van de modernste microscopietechnieken in combinatie met massaspectrometrie met ultrahoge resolutie om hun bevindingen bij de eencellige cellen te bevestigen. niveau.
"Wetenschap volgt technologie, en we waren enthousiast om de nieuwste genomische methoden te gebruiken om te zien welke soorten bacteriën er waren en actief waren", zei Kostka. "Er valt nog veel te leren over de ingewikkelde relaties tussen planten en microben in kustecosystemen, en we beginnen de omvang van de microbiële complexiteit te ontdekken die moerassen gezond houdt."