Засуха повторная
Природная микробиология, том 8, страницы 1480–1494 (2023 г.) Процитировать эту статью
4486 Доступов
82 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 круговороте углерода и его распределении 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-специфичное мечение 13C-глюкозой и/или 13C-пируватом использовалось для отслеживания распределения микробного углерода в CO2 и биомассе в почвенных мезокосмах25,26,27. 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. Вместе эти подходы могут раскрыть метаболические факторы изменения круговорота и распределения микробного углерода в почвах в условиях засухи.