Wetenschap
Wetenschappers brengen bodem-RNA in kaart met schimmelgenomen om bosecosystemen te begrijpen
Als er een boom in het bos valt – of iemand het geluid nu wel of niet registreert – is één ding zeker:er zijn veel schimmels in de buurt. In de bodem van een bos breken honderden soorten afval af, mobiliseren voedingsstoffen uit dat verval en leveren die voedingsstoffen af aan boomwortels en bodem. Deze schimmels helpen de ecologie van een bos vorm te geven. Ze slaan koolstof op en circuleren belangrijke voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor.
Op deze manier zijn de schimmels van bosbodems de sleutel tot de gezondheid van bomen en de opslag van koolstof – vaardigheden die steeds belangrijker worden naarmate het klimaat warmer wordt. Dit zijn echter ingewikkelde interacties om te ontwarren. Schimmels werken samen om een bos te ondersteunen, en soorten variëren in de ecosystemen van de aarde.
Onlangs gepubliceerd in New Phytologist hebben onderzoekers een nieuw inzicht ontwikkeld in welke schimmels bepaalde functies op de bosbodem vervullen. Voor het eerst vergeleken ze drie verschillende schimmelgilden op verschillende locaties. Ze bemonsterden bodems in vier bosecosystemen, haalden RNA eruit om genexpressie te begrijpen en ontwikkelden nieuwe hulpmiddelen om dat bodem-RNA in kaart te brengen in schimmelgenomen.
Het Joint Genome Institute (JGI) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), een DOE Office of Science User Facility gevestigd in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), heeft voor dit project 1 biljoen basen (een terabase) van bodem-RNA gesequenced en geproduceerd. referentiegenomen die het in kaart brengen van deze RNA-lezingen mogelijk maakten. "Momenteel is dit het grootste door JGI gesequenced schimmelmetatranscriptoom tot nu toe", zegt Igor Grigoriev, programmahoofd Fungal Genomics bij het JGI.
Naast een beter begrip van meerdere bossystemen, worden met dit werk protocollen en pijplijnen opgezet die andere teams over de hele wereld kunnen gebruiken.
Deze hulpmiddelen bieden onderzoekers een manier om toegang te krijgen tot veel meer informatie over schimmels in deze omgevingen. "Nu met deze nieuwe hulpmiddelen – metatranscriptomics, RNA-sequencing van bodem-RNA – hebben we toegang tot:'Wat doen ze? Hoe werken ze met elkaar samen?'', zegt senior auteur Francis Martin, emeritus onderzoeksdirecteur bij het National Research Institute for Agriculture, Food and Environment (INRAE).
Opmerkelijke gelijkenis ondanks enorme diversiteit
Voor deze studie verzamelden onderzoekers bodemmonsters van vier locaties:Aspurz, Spanje; Champenoux, Frankrijk; Lamborn, Zweden; Montmorency, Canada. Deze gebieden vertegenwoordigen respectievelijk mediterrane, gematigde en boreale bossen.
Er komen veel verschillende schimmels voor in de bodemmonsters van deze gevarieerde biomen; de bossen delen slechts ongeveer 20% van hun schimmelsoorten. Om bruikbare vergelijkingen te maken, moesten de onderzoekers buiten de taxonomie werken. "En de manier waarop we ontdekten was om ons te concentreren op de vergelijking van expressieniveaus tussen trofische gilden van schimmels", zegt Lucas Auer, onderzoeksingenieur bij INRAE en een van de eerste auteurs van dit werk.
Om deze trofische gilden te vergelijken, concentreerde dit team zich op drie hoofdgroepen schimmels die voorkwamen in alle bossen die ze bemonsterden. Deze gilden komen veel voor in bossen over de hele wereld, maar ook in weilanden en weilanden:saprotrofen demonteren puin en dode organismen om hun voedingsstoffen vrij te maken; mycorrhiza-symbionten transporteren water en voedingsstoffen naar bomen; plantpathogenen koloniseren levende planten om zich ermee te voeden.
In de verschillende bostypen kamden Martin en zijn team bodemmonsters uit om te zien welke genen deze drie schimmelgilden gebruikten om voedingsstoffen te laten groeien en metaboliseren. Ze bepaalden al het RNA dat in bodemmonsters werd gevonden, en verzamelden die RNA-transcripten in een metatranscriptoom.
Over het geheel genomen ontdekten ze dat, ondanks de enorme soortendiversiteit, elke gilde opmerkelijk vergelijkbare functies vervulde in verschillende bossen. Het primaire metabolisme, de celactiviteit en de ontwikkeling van schimmels leken vrij gelijkaardig voor elk gilde van saprotrofen, mycorrhiza-symbionten en ziekteverwekkers, ongeacht of een monster uit de grond onder een den of een eik kwam, in Zweden of Quebec.
Ecologisch gezien suggereert Martin dat deze overtolligheid beschermend is, een beetje zoals het diversifiëren van een beleggingsportefeuille. Als een stresssituatie zoals bosbranden of droogte sommige schimmelsoorten bedreigt, zullen andere schimmels de benodigde functionaliteiten vervullen.
Dit werk laat ook nieuwe overlap zien tussen de functies van verschillende schimmelgilden. Saprotrofen en mycorrhiza-symbionten zijn historisch gezien verdeeld in afzonderlijke ecologische niches:respectievelijk recyclers en transporteurs. Het team van Martin ontdekte echter dat beide gilden vergelijkbare genen tot expressie brengen voor het afbreken van schimmelcelwanden, de zogenaamde schimmelnecromassa, wat erop wijst dat deze gilden de verantwoordelijkheid delen voor het recyclen van dood schimmelmateriaal.
De referentiegenomen die de weg vrijmaakten
Dit project komt voort uit een voorstel van het Community Science Program dat Martin in 2012 indiende. Destijds had het veld veel verschillende bodemgemeenschappen onderzocht op taxonomische diversiteit. Deze onderzoeken konden populaties nauwkeurig in kaart brengen, maar zeiden weinig over welke soorten wat deden.
Om te begrijpen hoe schimmelgemeenschappen hun taken deelden, kozen Martin en zijn team ervoor om RNA te profileren, voor een beeld van de genexpressie van schimmels. Ze zouden bestaande schimmelgenomen nodig hebben om genexpressie in kaart te brengen voor functies en schimmelsoorten. Volgens Martin was het aanvankelijk een uitdaging om RNA-sequenties op deze manier in kaart te brengen. "Twaalf jaar geleden, toen we het eerste gesequenced RNA uit de bodem in kaart brachten, was slechts 10% daarvan in kaart gebracht met de schimmelgenomen bij het JGI," zei Martin.
Een poging genaamd het 1000 Fungal Genomes-project bracht daar verandering in. Dit is een meerjarig project in samenwerking met het JGI om 1.000 referentiegenomen uit de hele schimmelboom van het leven te sequencen. Martin is een van de projectleiders. Nadat hij met ongeveer 200 schimmelgenomen was begonnen, had het 1000 Fungal Genomes-project in slechts een paar jaar tijd, samen met andere CSP-projecten, meer dan 2000 schimmelgenomen gesequenced.
Het JGI heeft deze genomen in samenwerking met tientallen partners gesequenced, geassembleerd en geannoteerd. "Dit was een enorme gemeenschapsinspanning, met meer dan 100 onderzoekers die soorten nomineerden voor sequencing en vervolgens DNA- en RNA-monsters naar JGI stuurden", zei Grigoriev. Al deze genomen zijn verkrijgbaar bij MycoCosm.
Was de taak om schimmel-RNA aan sequenties in kaart te brengen aanvankelijk een hobbelige, kronkelige weg, opende deze nieuwe toestroom van genomen een snelweg voor dezelfde route. "Het was echt verbazingwekkend hoe de kwaliteit van de gegevens verbeterde dankzij die enorme hoeveelheid nieuwe genomen", zei Martin.
Het 1000 Fungal Genomes-project gaat verder, om meer van dit soort onderzoeken mogelijk te maken. Martin zegt dat nog meer genomen zich zullen vertalen in nog meer begrip, terwijl andere onderzoekers RNA analyseren uit bodemgemeenschappen in heel Zuid-Amerika, China, Europa en de Verenigde Staten.
"Ik denk dat we de komende jaren een soort mondiale kaart van de schimmeldiversiteit zullen hebben, maar we missen nog steeds de functies", zei Martin. "Dus dankzij het soort programma dat we samen met het JGI hebben ontwikkeld, hebben we de middelen om echt informatie te krijgen over de functies van deze schimmelgemeenschap, van de polen tot de tropen."