Новости

Apr 21, 2024

Засуха повторная

Nature Microbiology, том 8, страницы 1480–1494 (2023) Цитировать эту статью 1878 Доступ 28 Подробности об альтернативных метриках Воздействие засухи на микробную активность может изменить судьбу углерода в почве и привести к потере

Природная микробиология, том 8, страницы 1480–1494 (2023 г.) Процитировать эту статью

Доступы 1878 г.

28 Альтметрика

Подробности о метриках

Воздействие засухи на микробную активность может изменить судьбу углерода в почве и привести к потере накопленного углерода в атмосфере в виде CO2 и летучих органических соединений (ЛОС). Здесь мы исследовали влияние засухи на распределение углерода почвенными микробами в искусственном тропическом лесу «Биосфера 2», отслеживая 13C из специфического 13C-пирувата в CO2 и ЛОС параллельно с мультиомикой. Во время засухи увеличился отток обогащенного 13С ацетата, ацетона и C4H6O2 (диацетила). Эти изменения представляют собой увеличение производства и накопления промежуточных метаболитов, вызванное снижением эффективности углеродного цикла. Одновременно уменьшался отток 13C-CO2, что было обусловлено снижением микробной активности. Однако распределение микробного углерода для получения энергии по сравнению с биосинтезом не изменилось, что означает сохранение потребности в энергии для биосинтеза ЛОС и других путей, вызванных засухой и стрессом. В целом, хотя потери углерода в атмосферу через CO2 уменьшались во время засухи, потери углерода через выброс ЛОС увеличивались, что указывает на вызванные микробами сдвиги в судьбе углерода в почве.

Микроорганизмы регулируют круговорот углерода (C) в земной среде фундаментальными способами1, включая преобразование почвенного углерода в газообразные соединения, которые могут выходить в атмосферу, прежде всего в виде CO2 посредством микробного гетеротрофного дыхания. Однако микробы также производят летучие органические соединения (ЛОС) в качестве промежуточных продуктов метаболизма, сигнальных молекул и вторичных метаболитов2,3. Фактически, летучие метаболиты представляют собой часто упускаемую из виду часть полного метаболома почвы4,5, и хотя их выбросы в атмосферу представляют собой лишь небольшую потерю почвенного углерода, они вносят существенный вклад в химический состав атмосферы, включая образование озона и ядра конденсации облаков6. Таким образом, характеристика опосредованного микробами потока углерода в континууме почва-атмосфера имеет решающее значение для понимания судьбы почвенного углерода и ЛОС в условиях прогнозируемых изменений окружающей среды, включая засуху.

Стресс засухи вызывает хорошо изученные микробные физиологические реакции, которые влияют на метаболизм C, такие как биосинтез защитных молекул (например, осмолитов и внеклеточных полимерных веществ) для сохранения целостности клеток7,8 и концентрации ресурсов9,10. Производство этих биомолекул является энергоемким и может отвлекать ресурсы от синтеза биомассы9, что приводит к снижению стимулирующего рост гетеротрофного дыхания и выбросов CO211,12. Засуха также вызывает изменения в составе и доступности углерода в почве13,14,15, что дополнительно влияет на микробную активность16,17, например, вызывая изменения в использовании субстрата18. В целом, остается неясным, как вызванные засухой сдвиги в микробном метаболизме и составе углерода в почве влияют на распределение углерода в летучих метаболитах, которые могут смягчить стресс, вызванный засухой, у растений19. Более того, содержание влаги в почве оказывает сильное влияние на выбросы ЛОС из почв20, включая тропические почвы21,22, что, возможно, обусловлено воздействием засухи на микробный биосинтез и/или потребление ЛОС. Характеристика изменений в круговороте и распределении микробного углерода особенно важна для почв тропических лесов, где засухи, вероятно, будут возникать чаще и длиться дольше из-за изменения климата23,24.

Обнаружение изменений в микробном цикле и распределении C в сложных метаболических сетях, охватывающих конкурирующие пути производства и потребления, является сложной задачей. С этой сложностью можно справиться, отслеживая опосредованный микробами поток углерода через почву с использованием меченных изотопами центральных метаболитов. Позиционно-специфическое мечение 13C-глюкозой и/или 13C-пируватом использовалось для отслеживания распределения микробного углерода в CO2 и биомассе в почвенном мезокосме25,26,27. Однако исследования по засухе на местах и ​​распределению по ЛОС отсутствуют28. Прямую метаболическую информацию, полученную в результате мечения изотопов, можно контекстуализировать с помощью мощных, насыщенных информацией ограничений, обеспечиваемых подходами «омики», которые профилируют содержание генов, экспрессию генов и метаболомы почвенных микробиомов26. В совокупности эти подходы могут раскрыть метаболические факторы изменения круговорота и распределения микробного углерода в почвах в условиях засухи.