dorre landen, die ongeveer 40 procent van het aardoppervlak van de aarde beslaan, zijn te droog om veel vegetatie in stand te houden. Maar verre van onvruchtbaar, ze zijn de thuisbasis van diverse gemeenschappen van micro-organismen, waaronder schimmels, bacteriën, en archaea - die samen in de bovenste millimeters grond wonen. Deze biologische bodemkorsten, of biokorsten, kan voor langere tijd in een uitgedroogde, slapende staat. Als het regent, de microben worden metabolisch actief, een cascade van activiteit in gang zetten die zowel de gemeenschapsstructuur als de bodemchemie drastisch verandert.

"Deze biokorsten en andere bodemmicrobiomen bevatten een enorme diversiteit aan zowel microben als kleine moleculen ('metabolieten'). het verband tussen de chemische diversiteit van de bodem en de microbiële diversiteit wordt slecht begrepen, " zei Trent Northen, een senior wetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

In een op 2 januari gepubliceerd artikel 2018, in Natuurcommunicatie , Berkeley Lab-onderzoekers onder leiding van het Northen-lab melden dat specifieke verbindingen worden getransformeerd door en sterk geassocieerd met specifieke bacteriën in inheemse biologische bodemkorst (biocrust) met behulp van een reeks hulpmiddelen die Northen 'exometabolomics' noemt. Begrijpen hoe microbiële gemeenschappen in de biokorsten zich aanpassen aan hun barre omgevingen, zou belangrijke aanwijzingen kunnen opleveren om licht te werpen op de rol van bodemmicroben in de wereldwijde koolstofcyclus.

Het werk volgt op een onderzoek uit 2015 waarin werd onderzocht hoe specifieke verbindingen met kleine moleculen, 'metabolieten' genaamd, werden getransformeerd in een mengsel van bacteriële isolaten van biokorstmonsters gekweekt in een milieu van metabolieten uit dezelfde bodem. "We ontdekten dat de microben die we onderzochten 'kieskeurige' eters waren, Northen zei. "We dachten dat we deze informatie konden gebruiken om te koppelen wat er wordt geconsumeerd met de overvloed aan microben in de intacte gemeenschap, daarmee het koppelen van de biologie aan de chemie."

In de nieuwe studie de onderzoekers wilden bepalen of de microbe-metabolietrelaties die werden waargenomen in het vereenvoudigde reageerbuissysteem konden worden gereproduceerd in een complexere bodemomgeving. Biokorsten uit dezelfde bron - die vier opeenvolgende rijpingsstadia vertegenwoordigen - waren nat, en het grondwater werd op vijf tijdstippen bemonsterd. De monsters werden geanalyseerd met vloeistofchromatografie-massaspectrometrie (LC-MS) om de metabolietsamenstelling ("metabolomics") te karakteriseren, en biocrust-DNA werd geëxtraheerd voor shotgun-sequencing om single-copy-genmarkers voor de dominante microbe-soort te meten ("metagenomics").

"Als we de patronen van opname en productie van metabolieten vergelijken voor geïsoleerde bacteriën die gerelateerd zijn aan de meest voorkomende microben in de biokorsten, wij vinden dat, opwindend, deze patronen worden behouden, "zei Northen. Dat wil zeggen, verhoogde abundantie van een bepaalde microbe is negatief gecorreleerd met de metabolieten die ze consumeren en positief gecorreleerd met metabolieten die ze vrijgeven.

Wanneer actief, biokorsten nemen koolstofdioxide uit de lucht op en leggen stikstof vast, bijdragen aan de primaire productiviteit van het ecosysteem. Ze verwerken ook organische stof in de bodem, het wijzigen van belangrijke eigenschappen met betrekking tot bodemvruchtbaarheid en waterbeschikbaarheid.

"Deze studie suggereert dat laboratoriumstudies naar de verwerking van microbiële metabolieten kunnen helpen de rol van deze microben in koolstofcycli in het milieu te begrijpen. Deze studie brengt ons dichter bij het begrijpen van de complexe voedselwebben die essentieel zijn in de nutriëntendynamiek en de algehele bodemvruchtbaarheid, " zei studie eerste auteur Tami Swenson, een wetenschappelijke technische medewerker in de groep van Northen binnen de afdeling Environmental Genomics and Systems Biology (EGSB) van de Berkeley Lab Biosciences Area.

De groep van Northen werkt momenteel aan het uitbreiden van deze onderzoeken om een ​​groter deel van de microbiële diversiteit vast te leggen. uiteindelijk, dit kan de voorspelling van de nutriëntenkringloop in terrestrische microbiële ecosystemen mogelijk maken, en misschien zelfs manipulatie door specifieke metabolieten toe te voegen.