Исследование раскрывает секреты биологических почвенных корок
Они годами находятся в состоянии покоя, но при первых признаках благоприятных условий пробуждаются. Это может звучать как слоган к научно-фантастическому фильму, но на самом деле описывает удивительный жизненный цикл микроорганизмов, формирующих биологические почвенные корки (БПК) в пустынях Земли. Команда исследователей из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США провела уникальный молекулярный анализ реакции цианобактерий БПК на увлажнение и высыхание их среды. Результаты имеют значение для управления земельными ресурсами, улучшения климатических моделей и понимания круговорота углерода в почвенных микробных сообществах.
«Мы нашли способ измерить в реальных, неизмененных образцах молекулярные события, стоящие за реакцией цианобактерий на увлажнение и высыхание в пустынной БПК», — говорит биолог Айндрила Мукхопадхьяй. «Мы не только получили хорошее представление о генетическом механизме, который пробуждает микробов, но и лучше поняли, что составляет здоровую БПК».
Аридные и полуаридные пустыни составляют около 40% всей суши Земли. Нетронутая почвенная корка в этих пустынях часто представляет собой живой покров из микробов и продуктов их жизнедеятельности, где преобладают цианобактерии. Чтобы пережить засушливые периоды, длящиеся годами, микроорганизмы БПК впадают в состояние покоя, но должны быть готовы к быстрому «оживлению» для использования коротких периодов осадков. Чтобы лучше понять, как им это удается, команда из Berkeley Lab изучила цианобактерию Microcoleus vaginatus.
«M. vaginatus — это первичный колонизатор БПК, экосистемный пионер, который фиксирует углерод и связывает почву, позволяя сообществу развиваться и предотвращая ветровую эрозию», — поясняет химик Трент Нортен.
Исследователи собрали образцы почвенной корки из холодной пустыни около Моаба, штат Юта, и подвергли их циклам увлажнения и высыхания в течение шести дней, моделируя прохождение дождевого фронта. С помощью полногеномного транскрипционного анализа и точных биохимических измерений они обнаружили, что метаболические процессы в спящих микробных клетках оживают уже через три минуты после начала увлажнения. В течение часа начинается фотосинтез и поглощение CO₂.
Когда через три дня возобновилось высыхание почвы, механизмы, запущенные увлажнением, начали работать в обратном направлении, что указывает на подготовку микробов к повторному входу в состояние покоя, вызванного обезвоживанием. «Эти микробы БПК очень чутко настроены на свою среду и быстро реагируют на изменения», — отмечает Мукхопадхьяй.
Понимание того, как факторы окружающей среды влияют на рост и метаболизм M. vaginatus и других микробов БПК, должно улучшить способность прогнозировать воздействие изменения климата или землепользования на эти системы. «БПК представляют собой крупнейшие в мире биопленки, и их гибель может высвободить углерод и, что, возможно, более важно, пыль в атмосферу, изменяя альбедо снежного покрова», — говорит Нортен. «Восстановление или защита БПК через изменения в землепользовании может помочь изъять углерод из атмосферы и сократить количество пыли».
«В большинстве климатических моделей почти не учитывается углерод, фиксируемый почвенными микробами», — добавляет Мукхопадхьяй. «Цианобактерии БПК — это фотосинтезирующие организмы пустынь, и понимание их роли в углеродном цикле поможет заполнить пробелы в текущих климатических моделях».