Bestudering van microbiële gemeenschappen in rijstvelden in de San Joaquin Delta, onderzoekers koppelden het microbiële metabolisme en de beschikbaarheid van voedingsstoffen aan de snelheid van de koolstofcyclus in de bodem.

Het vaststellen van de onderlinge relaties tussen het microbiële metabolisme, nutriëntenbeschikbaarheid en koolstofcyclussnelheden in de bodem zijn van cruciaal belang voor het toepassen van genomische informatie om de wereldwijde koolstofcyclus te begrijpen. Door te laten zien hoe het microbiële metabolisme wordt gereguleerd door een gekoppelde nutriëntenkringloop en de beschikbaarheid van koolstof in de bodem, onderzoekers laten zien hoe genomics-studies van microbiële gemeenschappen kunnen worden opgeschaald naar het ecosysteemniveau, die zal bijdragen aan een dieper begrip van ecologische processen en zal bijdragen tot de ontwikkeling van betere wereldwijde koolstofcyclusmodellen.

Om de relatie tussen koolstofcycli beter te begrijpen, beschikbaarheid van voedingsstoffen, en microbiële gemeenschappen in de bodem is het noodzakelijk om studies over een nutriëntengradiënt uit te voeren. Rijstvelden zijn modelwetlandsystemen waarmee onderzoekers zich kunnen concentreren op gekozen biogeochemische variabelen, terwijl factoren zoals water en vegetatie worden gecontroleerd. Grenzend aan de herstelde wetlands van Twitchell Island zijn rijstvelden met een koolstofgehalte in de bodem dat kan variëren tussen 2,5 procent en 25 procent, die een groot deel van het wereldwijde koolstofaanbod in de bodem bestrijken. Wetlands zijn van belang voor het Amerikaanse ministerie van Energie om de rol van microbiële gemeenschappen in langetermijneffecten op koolstofemissies en koolstofvastlegging te begrijpen. Deze ecosystemen kunnen tot 30 procent van de wereldwijde koolstof in de bodem vasthouden, maar dragen bijna 40 procent bij aan de wereldwijde methaanemissies, een kans bieden om hun rol als koolstofputten en koolstofbronnen te begrijpen. Onderzoekers van het Joint Genome Institute, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, bestudeerde de ecosystemen van Twitchell Island in de Sacramento-San Joaquin Delta, waar de U.S. Geological Survey een pilotstudie had over herstelde wetlands.

Een combinatie van metagenomische sequentiebepaling van bodemmonsters, biogeochemische karakterisering en wekelijkse metingen van de uitstoot van broeikasgassen leidden tot de resultaten van het team, gepubliceerd in de ISME Journaal . De bevindingen suggereren dat de microbiële stofwisselingssnelheden overeenkomen met de biologische stoichiometrietheorie, een metabole ecologietheorie die suggereert dat organismen met snellere groeisnelheden meer fosfor nodig hebben om de stikstofrijke eiwitsynthese te verhogen. Tot nu, deze theorie was vanwege methodologische beperkingen niet toegepast op bodemmicroben in situ, die de wetenschappers hebben aangepakt met behulp van een nieuwe genomische benadering.

Bestudering van de microbiële gemeenschappen in deze bodems, de onderzoekers ontdekten dat de snelheid waarmee microben organisch materiaal afbreken, gekoppeld is aan de beschikbaarheid van koolstof, stikstof en fosfor in de bodem. specifiek, de beschikbaarheid van fosfor is een sleutelfactor bij het bepalen van de snelheid van de koolstofcyclus in de bodem. Een overvloed aan fosfor verhoogt de microbiële activiteit en stofwisseling, wat op zijn beurt een hogere koolstofomzet betekent. Een lager fosforgehalte in bodems met een hoog koolstofgehalte kan de geaccumuleerde koolstof helpen stabiliseren, terwijl bodems met een hoog fosforgehalte sneller koolstofvoorraden kunnen verliezen. Deze associaties op ecosysteemschaal werden ook weerspiegeld in genomische gegevens van de bodemmicroben die de cyclus van bodemelementen aandrijven. De sequentiegegevens van het bodemmetagenoom werden beoordeeld op microbieel potentieel om koolstof te metaboliseren, stikstof en fosfor, terwijl voorspellende functionele profileringssoftware de onderzoekers in staat stelde om afwegingen in deze functies tussen microbiële lijnen te vergelijken. Deze benadering onthulde clusters van genoomsequenties die konden worden gegroepeerd in "gilden" op basis van genomische profielen van metabole genen, die de onderzoekers gebruikten om nieuwe voorspellende modellen te ontwikkelen voor de samenstelling van de microbiële gemeenschap en de koolstofcyclus in de bodem. Dit werk is een belangrijke stap vooruit in het begrijpen van de relatie tussen microbiële gemeenschappen en bodemvoedingsstoffen en de effecten van die interacties op ecosysteemactiviteit en gezondheid.