Почвенные микробиомы – скопление бактерий и других микробов в почве – являются важнейшим двигателем глобального углеродного цикла; микробы разлагают мертвый растительный материал, чтобы вернуть питательные вещества в экосистему и выбросить углерод обратно в атмосферу. Множественные факторы окружающей среды влияют на состав и функционирование микробиомов почвы, но эти реакции обычно изучаются с экологической точки зрения, чтобы выяснить, какие виды микробов увеличиваются или уменьшаются в численности по мере изменения условий окружающей среды. В текущем исследовании команда UCI изучила, эволюционируют ли виды бактерий в почве при изменении окружающей среды.
«Мы знаем, что эволюция бактерий может происходить очень быстро, как реакция на антибиотики, но мы не знаем, насколько важной может быть эволюция для бактерий в окружающей среде в условиях продолжающегося изменения климата», – сказал доктор. Алекс Чейз, ведущий автор исследования и бывший аспирант UCI.
Некоторые присущие им характеристики должны позволить почвенным микробам быстро адаптироваться к новым климатическим условиям. Микробы многочисленны и могут воспроизводиться всего за несколько часов, поэтому редкая генетическая мутация, позволяющая адаптироваться к новым климатическим условиям, может произойти случайно за короткий промежуток времени. Однако большая часть того, что известно об эволюции бактерий, получено в результате контролируемых лабораторных экспериментов, в которых бактерии выращиваются в колбах с искусственной пищей. Было неясно, происходит ли эволюция в почвах достаточно быстро, чтобы соответствовать последствиям текущих темпов изменения климата.
"Текущие прогнозы о том, как изменение климата повлияет на микробиомы, основаны на предположении, что виды микробов статичны. Поэтому мы хотели проверить, могут ли бактерии быстро развиваться в естественных условиях, таких как почва », – пояснил д-р. гнаться.
Чтобы измерить эволюцию в естественной среде, исследователи развернули первый в истории эксперимент по бактериальной эволюции в этой области, используя почвенную бактерию под названием Curtobacterium. Исследователи использовали 125 «микробных клеток», заполненных микробной пищей, состоящей из мертвого растительного материала. (Клетки позволяют транспортировать воду, но не другие микробы.Затем в клетках бактерии подвергались воздействию различных климатических условий на градиенте высот в Южной Калифорнии.
Команда провела два параллельных эксперимента в течение 18 месяцев, измеряя как экологические, так и эволюционные реакции бактерий.
«Микробные клетки позволили нам контролировать типы присутствующих бактерий, подвергая их воздействию различных условий окружающей среды в разных местах. Затем мы могли бы проверить, например, как теплые и засушливые условия пустыни повлияли на генетическое разнообразие одного вида Curtobacterium », – сказал д-р. гнаться.
Через 18 месяцев ученые секвенировали бактериальную ДНК из микробных клеток в экспериментах.
В первом эксперименте с разнообразным почвенным микробиомом изменилась численность различных видов Curtobacterium, что является ожидаемой экологической реакцией. Во втором эксперименте за тот же период времени генетическое разнообразие одной бактерии Curtobacterium изменилось, что свидетельствует об эволюционной реакции на те же условия окружающей среды. Авторы приходят к выводу, что как экологические, так и эволюционные процессы могут влиять на то, как почвенный микробиом реагирует на изменение климатических условий.
«Исследование показывает, что мы можем наблюдать быструю эволюцию почвенных микробов, и это захватывающее достижение. Наша следующая цель – понять важность эволюционной адаптации почвенных экосистем к будущим изменениям климата », – сказала соавтор Дженнифер Мартини, профессор экологии и эволюционной биологии, которая является соруководителем инициативы UCI Microbiome Initiative.