Na tropie metabolicznych strategii przetrwania mikroorganizmów glebowych
Mikroorganizmy glebowe często muszą stawiać czoła trudnym i zmiennym warunkom zarówno w glebach stref umiarkowanych, jak i na terenach pustynnych. Co więcej, duża część różnorodności mikrobiologicznej gleby opiera się na tak zwanych „mikrobiologicznych bankach nasion” – dotychczas naukowcy i eksperci przyjmowali, że większość mikroorganizmów pozostaje w stanie uśpienia, a część z nich budzi się w przypadku zmiany warunków środowiskowych. Projekt DormantMicrobes (Revealing the function of dormant soil microorganisms and the cues for their awakening) powstał dzięki wsparciu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych w celu badania przystosowania mikroorganizmów glebowych do pozostawania w stanie uśpienia w glebach stref pustynnych i umiarkowanych, a także zgłębiania niektórych czynników środowiskowych prowadzących do ich reanimacji. „Dotychczas nie dysponowaliśmy dużymi zbiorami informacji i danych na temat stosunku komórek aktywnych do uśpionych w glebie, nie mówiąc już nawet o strategiach wykorzystywanych w celu przetrwania w trudnych warunkach”, wyjaśnia koordynatorka projektu Dagmar Woebken z Uniwersytetu Wiedeńskiego.
Wiele strategii przetrwania
Kierowany przez Woebken zespół analizuje mikroorganizmy zamieszkujące skorupę gleby na pustyni Negew, wykorzystując w tym celu dwie nowoczesne metodologie: NanoSIMS i meta-omikę. Brak wody ogranicza aktywność w skorupie pustynnej gleby, dlatego badacze skupili się na reanimacji mikroorganizmów w laboratorium z użyciem imitacji deszczu. Przeprowadzono badania oparte na analizie stabilnych izotopów z wykorzystaniem tak zwanej ciężkiej wody, w której atomy wodoru są zastąpione jego rzadkim izotopem – deuterem. Występujący w komórkach deuter stanowił wskaźnik, który naukowcy mogli wykrywać w celu obserwowania reaktywacji w czasie i na poziomie pojedynczych komórek dzięki technologii NanoSIMS – nanoskalowej spektrometrii mas jonów wtórnych. „Nasze dane potwierdziły, że niektóre z komórek rzeczywiście pozostają uśpione, stanowiąc coś w rodzaju polisy ubezpieczeniowej dla całej gromady”, zauważa Woebken. Aby odkryć potencjalne geny i szlaki sygnałowe odpowiedzialne za uśpienie oraz reanimację, naukowcy wykorzystali podejście meta-omiczne w celu sekwencjonowania DNA i mRNA mikroorganizmów zamieszkujących skorupę gleby. „Udało nam się zrekonstruować niemal kompletne genomy, dzięki czemu odkryliśmy olbrzymią różnorodność dotychczas nieznanych mikroorganizmów glebowych. Nasze dane pozwoliły nam również na odkrycie wielu strategii stosowanych przez mikroorganizmy w celu przetrwania w niesprzyjających warunkach”, dodaje Woebken. Mechanizmy przetrwania obejmują strategię „odżywiania i głodowania” – wykorzystujące je mikroorganizmy reagują na nagłe zmiany dostępności wody, zużywając organiczne składniki odżywcze jako źródła energii lub wytwarzając formy spoczynkowe. Inna strategia obejmuje zmniejszanie wytwarzania reaktywnego tlenu, który uszkadza DNA i białka. Komórki zawierają enzymy chroniące lub naprawiające te kluczowe elementy komórek. Jedną z najbardziej interesujących strategii jest wytwarzanie energii poprzez pochłanianie gazów atmosferycznych, między innymi wodoru. W czasie prac nad tym odkryciem zespół trafił na dowody potwierdzające stosowanie tej strategii również wśród mikroorganizmów zamieszkujących gleby stref umiarkowanych i opisał szereg nowych i powszechnie występujących taksonów posiadających tę umiejętność. „Odkryliśmy tę zdolność metaboliczną wśród bardzo żywotnych mikroorganizmów glebowych – bakterii kwasowych”, twierdzi Woebken. „Umiejętność ta występuje również powszechnie wśród innych mikroorganizmów glebowych, niezależnie od środowiska oraz czynników stresowych, co potwierdza popularność tej strategii przetrwania”. Badacze skupiają się obecnie na próbie potwierdzenia tej hipotezy. Dokonane odkrycia pozwolą im również ustalić, czy mikroorganizmy w mniej suchych glebach są tak samo przygotowane do przetrwania suszy jak ich pustynni krewni.
Zapewnianie różnorodności biologicznej
Zwiększona częstotliwość występowania susz i pustynnienia stanowią dwa spośród wielu przejawów wpływu antropogenicznej zmiany klimatu na wiele ekosystemów występujących na Ziemi. „Lepsze zrozumienie mechanizmów wykorzystywanych przez mikroorganizmy w celu przetrwania braku dostępu do wody i szybkiej reaktywacji w przypadku jej pojawienia się pozwala nam docenić różnorodność biologiczną występującą w tego rodzaju ekosystemach. Ta wiedza może okazać się nieodzowna w przyszłych wysiłkach na rzecz łagodzenia skutków zmiany klimatu”, podsumowuje Woebken.
Słowa kluczowe
DormantMicrobes, gleba, mikroorganizmy, gazy atmosferyczne, umiarkowana, sucha, wodór, uśpione komórki, pustynia, izotop, deuter, strategie przetrwania
