Климатические модели необходимы для прогнозирования и решения проблемы изменения климата, но они могут неадекватно учитывать почвенные микроорганизмы - важнейшего игрока в экосистемном связывании углерода в почве, которое влияет на глобальный углеродный цикл.
Группа ученых из Национальной лабораторией имени Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США, разработала новую модель, которая включает генетическую информацию микробов. Эта новая модель позволяет ученым лучше понять, как определенные почвенные микробы эффективно накапливают углерод, который поступает к корням растений, и может послужить основой для разработки сельскохозяйственных стратегий по сохранению углерода в почве для поддержания роста растений и смягчения последствий изменения климата.
"Наше исследование демонстрирует преимущество сбора генетической информации о микроорганизмах непосредственно из почвы. Ранее мы располагали информацией лишь о небольшом количестве микробов, изученных в лаборатории", - говорит ведущий автор работы, опубликованной в журнале Nature Microbiology, Джанна Маршманн. "Обладая информацией о геномах, мы можем создать более совершенные модели, способные предсказать, как различные типы растений, культуры или даже конкретные сорта могут взаимодействовать с почвенными микробами, чтобы лучше улавливать углерод. Одновременно это позволяет понять как можно улучшить здоровье почвы".
Почвенные микробы помогают растениям получать питательные вещества из почвы и противостоять засухе, заболеваниям и вредителям. Их влияние на углеродный цикл особенно важно отразить в климатических моделях, поскольку они влияют на количество углерода, хранящегося в почве или выбрасываемого в атмосферу в виде углекислого газа в процессе разложения. Создавая собственные тела из этого углерода, микробы могут стабилизировать (или хранить) его в почве и влиять на то, сколько и как долго углерод сохраняется в почве. Значение этих функций для сельского хозяйства и климата становится все более очевидным.
Однако, несмотря на то, что в одном грамме почвы содержится до 10 миллиардов микроорганизмов и тысячи различных видов, подавляющее большинство микробов никогда не изучалось в лабораторных условиях. До недавнего времени данные, которыми располагали ученые для построения моделей, были получены лишь от крошечного меньшинства изученных в лаборатории видов микробов, причем многие из них не соответствовали тем, которые нуждаются в представлении в климатических моделях. "Это все равно что строить модель экосистемы для пустыни на основе информации, полученной от растений, которые растут только в тропическом лесу", - поясняет Маршманн.
Чтобы решить эту проблему, ученые использовали информацию о геномах для создания модели, которую можно адаптировать к любой экосистеме, нуждающейся в изучении, - от лугов Калифорнии до таяния вечной мерзлоты в Арктике. Используя геномы в модели, позволяющей понять, как функционируют почвенные микроорганизмы, исследователи применили этот подход для изучения взаимодействия растений и микробиома на калифорнийских пастбищах. Пастбища имеют важное экономическое и экологическое значение в Калифорнии, занимая более 40% территории.
Исследования были сфокусированы на микробах, живущих вокруг корней растений (так называемая ризосфера). Эта среда очень важна для изучения, поскольку, несмотря на то, что ее объем составляет всего 1-2% от объема почвы Земли, в корневой зоне, по оценкам, содержится до 30-40% углерода, хранящегося в почве, причем большая часть этого углерода высвобождается корнями по мере их роста.
Чтобы построить модель, ученые имитировали рост микроорганизмов в корневой среде, тем не менее, подход не ограничился конкретной экосистемой. Поскольку определенная генетическая информация соответствует конкретным признакам, как и у людей, связь между геномами (на которых основана модель) и признаками микроорганизмов можно перенести на микробы и экосистемы по всему миру.
Авторы разработали новый способ прогнозирования важных признаков микроорганизмов, влияющих на то, как быстро они используют углерод и питательные вещества, поступившие в корни растений. Используя эту модель, исследователи продемонстрировали, что по мере роста растений и высвобождения углерода возникают различные стратегии роста микроорганизмов, обусловленные взаимодействием между химическим составом корней и особенностями микроорганизмов.
В частности, они обнаружили, что микробы с более медленной скоростью роста предпочитают использовать углерод, высвобождаемый на более поздних стадиях развития растений, и удивительно эффективно используют его, что позволяет им накапливать больше этого ключевого элемента в почве. Это новое наблюдение дает основу для улучшения представления взаимодействия корней и микробов в моделях, а также расширяет возможности прогнозирования влияния микробов на изменения глобального углеродного цикла в климатических моделях.
"Эти новые знания имеют важные последствия для сельского хозяйства и здоровья почвы. С помощью моделей, которые мы разрабатываем, становится все более вероятным использовать результаты нового понимания того, как углерод циркулирует в почве. Это, в свою очередь, открывает возможность рекомендовать стратегии сохранения ценного углерода в почве для поддержания биоразнообразия и роста растений в масштабах, доступных для измерения воздействия", - отмечает Маршманн.
Исследование подчеркивает возможности использования подходов к моделированию на основе генетической информации для прогнозирования микробных признаков, которые могут помочь в изучении почвенного микробиома и его влияния на окружающую среду.
