Углеродный цикл в микробных экосистемах биологических почвенных корок

По мере усиления парникового эффекта углерод почвы стал ключевым объектом исследований в области изменения климата. Почвенные микроорганизмы — основные группы, управляющие трансформацией почвенного углерода. Из-за сложности таких факторов, как физиология микробов, состав органических соединений в почвах и вариабельность окислительно-восстановительных форм, изучение закономерностей и процессов углеродного цикла на уровне микробного сообщества с помощью метагеномики может быть затруднено.

Биокорки являются идеальной моделью для метагеномных исследований почвенных экосистем, поскольку они широко распространены в аридных регионах, покрывают более 40% поверхности суши и в них доминируют криптофиты, такие как цианобактерии, лишайники и мхи. Они также предотвращают ветровую эрозию песчаных почв, способствуя развитию и сукцессии экосистем.

В исследовании, опубликованном в Soil Biology and Biochemistry, группа под руководством профессора Ху Чуньсяна из Института гидробиологии Китайской академии наук изучила общие закономерности углеродного цикла на уровне сообщества и его изменения в ходе сукцессии в биокорках, а также взаимосвязи между процессами C-цикла, переменными среды и микробными группами.

Для этого исследователи использовали четыре типа биокорок, представляющих разные стадии сукцессии: корки с доминированием цианобактерий (A), цианолишайников (C), хлоро-лишайников (G) и мхов (M). Образцы многократно собирали в районе Шапоту в пустыне Тэнгэр за последние четыре года.

Сначала исследователи с помощью метагеномного секвенирования обнаружили низкую численность генов, связанных со светозависимой фиксацией неорганического углерода, и высокую численность генов, связанных с химически-энергозависимым разложением макромолекулярного органического углерода (OC), брожением, аэробным дыханием и окислением CO.

«Что касается разложения OC, мы обнаружили, что гены, опосредующие деградацию крахмала/гликогена и целлюлозы, были наиболее многочисленны на начальном этапе разложения сложного OC, как и гены, опосредующие брожение на конечных этапах разложения OC», — сказал профессор Ху.

Чтобы оценить сукцессионные изменения в углеродном цикле, исследователи дополнительно объединили метагеномные данные с абсолютной количественной оценкой с помощью GeoChip и измерениями активности ключевых ферментов. «Мы наблюдали, что фиксация неорганического углерода, брожение, окисление CH₄, а также деградация крахмала/гликогена и пептидогликана снижались в ходе сукцессии, тогда как несколько высокоэффективных процессов, а также окисление CO и большинство типов деградации OC увеличивались», — сказал Ху.

Кроме того, с помощью сетей совместной встречаемости исследователи выявили, что C-цикл в биокорках состоит из модуля ассимиляции (аналогичного первичной продукции) и модуля диссимиляции (сопоставимого со вторичной продукцией). Они также обнаружили, что в ходе сукцессии происходили динамические изменения взаимосвязей между путями C-цикла и составом микробного сообщества. «Два модуля C-цикла были связаны циклом Кальвина-Бенсона-Бэшема, этаноловым и пропионатным брожением, и их баланс регулировался засухой и засолением», — пояснил Ху.

Это исследование углубило понимание путей C-цикла и регуляторных механизмов в сукцессии биокорок и заложило основу для будущих мульти-омиксных исследований этих систем.