مدل‌های میکروبی از داده‌های ژنومی گسترده برای تغذیه شبیه‌سازی‌های کربن خاک استفاده می‌کنند. اعتبار: تصویر توسط ویکتور او. لشیک
دانشمندان استفاده می کنند DNA از میکروب‌های خاک تا مدل‌سازی نحوه عملکرد و استفاده از کربن که در نهایت به پیشرفت آن کمک می‌کند دقت مدل های آب و هوایی
مدل‌های اقلیمی برای پیش‌بینی و رسیدگی به تغییرات آب‌وهوایی ضروری هستند، اما ممکن است نتوانند به‌اندازه کافی میکروب‌های خاک را نشان دهند، بازیگری حیاتی در ترسیب کربن اکوسیستم خاک که بر چرخه جهانی کربن تأثیر می‌گذارد. تیمی از دانشمندان به رهبری آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی (آزمایشگاه برکلی) مدل جدیدی را توسعه داده‌اند که اطلاعات ژنتیکی میکروب‌ها را در خود جای داده است. این مدل جدید به دانشمندان اجازه می دهد تا درک بهتری داشته باشند که چگونه برخی از میکروب های خاک به طور موثر کربن تامین شده توسط ریشه گیاهان را ذخیره می کنند و ممکن است استراتژی های کشاورزی را برای حفظ کربن خاک برای حمایت از رشد گیاهان و کاهش تغییرات آب و هوایی آگاه کنند.
تحقیقات ما مزیت جمع آوری اطلاعات ژنتیکی میکروارگانیسم ها را به طور مستقیم از خاک نشان می دهد. جیانا مارشمن، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه برکلی و نویسنده اصلی مقاله، گفت: قبلاً ما فقط اطلاعاتی در مورد تعداد کمی از میکروب های مورد مطالعه در آزمایشگاه داشتیم. “داشتن اطلاعات در مورد ژنوم به ما امکان می دهد مدل های بهتری ایجاد کنیم که قادر به پیش بینی چگونگی همکاری انواع مختلف گیاهان، محصولات زراعی یا حتی ارقام خاص با میکروب های خاک برای جذب بهتر کربن هستند.” در عین حال این همکاری می تواند سلامت خاک را بهبود بخشد.
این تحقیق در مقاله جدیدی که اخیراً در مجله منتشر شده است توضیح داده شده است میکروبیولوژی طبیعی. نویسندگان متناظر عبارتند از ائین برودی از آزمایشگاه برکلی و جنیفر پت ریج از آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور که کارگردانی می کند. “میکروها ادامه دارند” منطقه کانونی علمی میکروبیوم خاک پروژه ای که توسط دفتر علوم DOE برای حمایت از این کار تامین مالی شد.
دیدن نامرئی: اثرات میکروبی بر سلامت خاک و کربن
میکروب های خاک به گیاهان کمک می کنند تا به مواد مغذی خاک دسترسی پیدا کنند و در برابر خشکسالی، بیماری و آفات مقاومت کنند. تأثیر آنها بر چرخه کربن به ویژه در مدل های آب و هوایی مهم است زیرا آنها بر میزان کربن ذخیره شده در خاک یا آزاد شده در اتمسفر به عنوان دی اکسید کربن در طول فرآیند تجزیه تأثیر می گذارند. با ساختن بدن خود از این کربن، میکروب ها می توانند آن را در خاک تثبیت کنند (یا ذخیره کنند) و بر میزان و مدت زمان ذخیره کربن در زیر زمین تأثیر بگذارند. اهمیت این کارکردها برای کشاورزی و آب و هوا بیش از پیش دیده نشده است.
با این حال، تنها با یک گرم خاک حاوی تا 10 میلیارد میکروارگانیسم و هزاران گونه مختلف، اکثریت قریب به اتفاق میکروب ها هرگز در آزمایشگاه مورد مطالعه قرار نگرفته اند. تا همین اواخر، دانشمندان باید اطلاع می‌دادند که این الگوها تنها از بخش کوچکی از میکروب‌های آزمایش‌شده در آزمایشگاه می‌آیند، که بسیاری از آنها با آن‌هایی که باید در مدل‌های آب و هوایی نشان داده شوند، ارتباطی ندارند.
برودی توضیح داد: “این مانند ساختن یک مدل اکوسیستمی برای یک بیابان است که بر اساس اطلاعات گیاهانی که فقط در جنگل های بارانی رشد می کنند.”
دنیای زیر پای ما
برای مقابله با این چالش، تیمی از دانشمندان از اطلاعات ژنومی مستقیماً برای ساخت مدلی استفاده کردند که می تواند با هر اکوسیستمی که نیاز به مطالعه دارد، از علفزارهای کالیفرنیا گرفته تا یخ های دائمی در حال آب شدن قطب شمال، سازگار شود. با استفاده از مدلی که از ژنوم برای ارائه بینشی در مورد نحوه عملکرد میکروب‌های خاک استفاده می‌کند، تیم این رویکرد را برای مطالعه برهم‌کنش‌های میکروبیوم گیاهی در علفزارهای کالیفرنیا به کار برد. علفزارها از نظر اقتصادی و زیست محیطی در کالیفرنیا مهم هستند و بیش از 40 درصد از مساحت زمین را تشکیل می دهند.
تحقیقات روی میکروب‌هایی که در اطراف ریشه‌های گیاهان زندگی می‌کنند (به نام ریزوسفر) متمرکز شده‌اند. این یک محیط تحقیقاتی مهم است، زیرا علیرغم اینکه این ناحیه ریشه تنها 1-2٪ از حجم خاک زمین است، تخمین زده می شود که حاوی 30-40٪ کربن زمین ذخیره شده در خاک باشد، زیرا مقدار زیادی از این کربن از ریشه آزاد می شود. همانطور که رشد می کنند.
برای ساخت این مدل، دانشمندان با استفاده از داده‌های مرکز تحقیقات و توسعه Hopland دانشگاه کالیفرنیا، میکروب‌های در حال رشد در محیط ریشه را شبیه‌سازی کردند. با این حال، این رویکرد به یک اکوسیستم خاص محدود نمی شود. از آنجا که اطلاعات ژنتیکی خاص با صفات خاصی مطابقت دارد، درست مانند انسان، رابطه بین ژنوم ها (که مدل بر اساس آن است) و ویژگی های میکروبی را می توان به میکروب ها و اکوسیستم ها در سراسر جهان منتقل کرد.
این تیم روش جدیدی را برای پیش‌بینی ویژگی‌های مهم میکروب‌ها که بر سرعت استفاده از کربن و مواد مغذی تامین‌شده توسط ریشه‌های گیاه تأثیر می‌گذارد، ابداع کردند. با استفاده از این مدل، محققان نشان دادند که با رشد گیاهان و انتشار کربن، استراتژی‌های رشد میکروبی متفاوتی به دلیل تعامل بین شیمی ریشه و ویژگی‌های میکروبی پدیدار می‌شوند. به طور خاص، آنها دریافتند که میکروب هایی با سرعت رشد آهسته تر مورد علاقه انواع کربن آزاد شده در مراحل بعدی رشد گیاه هستند و به طرز شگفت انگیزی در استفاده از کربن کارآمد هستند – به آنها اجازه می دهد تا مقدار بیشتری از این عنصر کلیدی را در خاک ذخیره کنند.
ریشه موضوع
این مشاهدات جدید مبنایی را برای بهبود نحوه نمایش تعاملات ریشه و میکروب در مدل‌ها فراهم می‌کند و توانایی پیش‌بینی چگونگی تأثیر میکروب‌ها بر تغییرات چرخه کربن جهانی در مدل‌های آب و هوایی را بهبود می‌بخشد.
“این دانش تازه یافته پیامدهای مهمی برای کشاورزی و سلامت خاک دارد. با مدل هایی که می سازیم، به طور فزاینده ای امکان استفاده از درک جدیدی از نحوه حرکت کربن در خاک وجود دارد. مارشمن گفت که این به نوبه خود فرصت‌هایی را برای توصیه استراتژی‌هایی برای حفظ کربن ارزشمند خاک برای حمایت از تنوع زیستی و رشد گیاهان در مقیاس‌های قابل اندازه‌گیری تأثیر باز می‌کند.
این تحقیق بر قدرت استفاده از رویکردهای مدل‌سازی مبتنی بر اطلاعات ژنتیکی برای پیش‌بینی ویژگی‌های میکروبی که می‌تواند به روشن کردن میکروبیوم خاک و تأثیر آن بر محیط کمک کند، تأکید می‌کند.
مرجع: «پیش‌بینی دینامیک میکروبیوم ریزوسفر با مدل بودجه انرژی مبتنی بر ویژگی و ژنوم» توسط جیانا ال. مارشمن، جینیون تانگ، کاترینا ژالنینا، اولاس کارائوز، هیجونگ چو، بئاتریس لی، جنیفر پت‌ریج، و ایون ال برودی 5 فوریه 2024، میکروبیولوژی طبیعی.
DOI: 10.1038/s41564-023-01582-w
این کار توسط وزارت انرژی ایالات متحده (DOE)، دفتر تحقیقات بیولوژیکی و محیطی پشتیبانی شد.
