Slechts een paar bacteriële taxa die in ecosystemen over de hele planeet worden aangetroffen, zijn verantwoordelijk voor meer dan de helft van de koolstofcyclus in de bodem. Deze nieuwe bevindingen, gemaakt door onderzoekers van de Northern Arizona University en gepubliceerd in Natuurcommunicatie deze week, suggereren dat ondanks de diversiteit van microbiële taxa die worden aangetroffen in wilde bodems, verzameld uit vier verschillende ecosystemen, slechts drie tot zes groepen bacteriën die veel voorkomen in deze ecosystemen waren verantwoordelijk voor het grootste deel van het koolstofgebruik dat plaatsvond.

Bodem bevat twee keer zoveel koolstof als alle vegetatie op aarde, en zo voorspellen hoe koolstof wordt opgeslagen in de bodem en vrijkomt als CO ₂ is een kritische berekening om de toekomstige klimaatdynamiek te begrijpen. Het onderzoeksteam, waaronder wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory, Lawrence Livermore Nationaal Laboratorium, Universiteit van Massachusetts-Amherst, en de Universiteit van West Virginia, vraagt ​​hoe dergelijke belangrijke bacteriële processen moeten worden verantwoord in aardsysteem- en klimaatmodellen.

"We ontdekten dat koolstofcycli echt worden gecontroleerd door een paar groepen gewone bacteriën, " zei Bram Steen, een postdoctoraal onderzoeker bij het Center for Ecosystem Science and Society aan de Northern Arizona University die de studie leidde. "Het sequencing-tijdperk heeft ongelooflijk inzicht gegeven in hoe divers de microbiële wereld is, " zei Steen, die nu in het Pacific Northwest National Laboratory is. "Maar onze gegevens suggereren dat als het gaat om belangrijke functies zoals bodemademhaling, er kan veel redundantie zijn ingebouwd in de bodemgemeenschap. Het zijn een paar veelvoorkomende, overvloedige acteurs die het meeste verschil maken."

Die bacteriën— Bradyrhizobium , de acidobacteriën RB41 , en Streptomyces — waren beter dan hun zeldzamere tegenhangers in het gebruik van zowel bestaande koolstof in de bodem als voedingsstoffen die aan de bodem werden toegevoegd. Toen koolstof en stikstof werden toegevoegd, deze reeds dominante geslachten van bacteriën consolideerden hun controle over voedingsstoffen, meer opslokken en sneller groeien ten opzichte van andere aanwezige taxa. Hoewel de onderzoekers duizenden unieke organismen identificeerden, en honderden verschillende geslachten, of verzamelingen van soorten (bijvoorbeeld het geslacht Canis omvat wolven, coyotes, en honden), er waren er slechts zes nodig om meer dan 50 procent van het koolstofgebruik voor hun rekening te nemen, en slechts drie waren verantwoordelijk voor meer dan de helft van het koolstofgebruik in de voedingsrijke bodem.

Met behulp van water gelabeld met speciale isotopen van zuurstof, Stone en zijn team hebben DNA in bodemmonsters gesequenced, de zuurstofisotopen volgen om te zien welke taxa het in hun DNA hebben opgenomen, een signaal dat groei aangeeft. Deze techniek, zogenaamde kwantitatieve stabiele isotopenonderzoek (qSIP), stelt wetenschappers in staat om op het niveau van individuele taxa na te gaan welke bacteriën in wilde grond groeien. Vervolgens hield het team rekening met de overvloed van elk taxon en modelleerde het hoe efficiënt bacteriën bodemkoolstof verbruiken. Het model dat taxonomische specificiteit omvatte, genoomgrootte, en groei voorspelde de gemeten CO ₂ veel nauwkeuriger vrijgeven dan modellen die alleen keken naar hoe overvloedig elke bacteriegroep was. Het toonde ook aan dat slechts een paar taxa de meeste CO . produceerden ₂ die de onderzoekers hebben waargenomen.

"Een beter begrip van hoe individuele organismen bijdragen aan koolstofcycli heeft belangrijke implicaties voor het beheer van de bodemvruchtbaarheid en het verminderen van onzekerheid in projecties van klimaatverandering, " zei Kirsten Hofmockel, Microbiome Science Team Lead bij Pacific Northwest National Laboratory en een co-auteur van de studie. "Dit onderzoek plaagt taxonomische en functionele diversiteit van bodemmicro-organismen en vraagt ​​ons om op een nieuwe manier naar biodiversiteit te kijken."

"De microbiële demografische gegevens die deze techniek onthult, laten ons genuanceerder vragen stellen, " zei Stone. "Waar we vroeger een microbiële gemeenschap kenmerkten door zijn dominante functie, de manier waarop vaak wordt gemeld dat een hele staat 'voor' of 'tegen' een stemvoorstel heeft gestemd, nu, met qSIP, we kunnen zien wie dat grotere patroon aanstuurt - de 'verkiezingsresultaten, ' als je wilt - op het niveau van individuele microbiële buurten, stadsblokken.

"Op deze manier, we kunnen beginnen te identificeren welke bodemorganismen belangrijke functies vervullen, zoals koolstofvastlegging, en bestudeer die nader."