Некоторые из самых редких почвенных бактерий играют удивительно важную роль

Фото из открытых источников

Редкие почвенные бактерии составляли около 4% от всех обнаруженных в 117 образцах почв Лессового плато, однако именно эта группа была наиболее тесно связана со стабильностью микробного сообщества. Результаты исследования были опубликованы в журнале Agricultural Ecology and Environment.

В почве бактерии делятся на несколько видов, встречающихся почти повсеместно, и огромное множество, практически незаметных. Новое исследование, проведенное на Лессовом плато Китая, показало, что именно малочисленные группы населения наиболее активно участвуют в поддержании стабильности общины, в то время как небольшая, широко распространенная группа занимается организацией.

Как заявили авторы, распространенность микроба сама по себе не является хорошим показателем его значимости. Чжэнчэнь Ван и его коллеги из Северо-Западного сельскохозяйственного и лесного университета в провинции Шэньси в течение одного месяца отобрали образцы 117 типов почвы из лесов, кустарников и лугов.

Они рассортировали бактерии в каждом образце по частоте их встречаемости и распространенности, но это скорее снимок состояния верхнего слоя почвы одного региона, чем эксперимент. Определение стабильности основывается на том, какие бактерии появлялись и исчезали одновременно, а не на наблюдении за восстановлением почвы после засухи.

Команда извлекла ДНК из каждого образца и считала один ген, который присутствует у каждой бактерии. Это позволило им составить список различных типов генов в каждой почве и определить количество каждого из них. 

Половина всех обнаруженных ими типов была настолько редкой, что считалась таковой, то есть каждый из них составлял менее одной бактерии на 100 000.В сумме эти редкие виды составили около 4% от всех обнаруженных бактерий.

Менее одного типа из 100 встречалось достаточно часто, чтобы превзойти одну бактерию из 1000, и эта небольшая группа составляла 31% от общего числа. Распространённая группа была ещё меньше. Лишь 0,34% типов были обнаружены как минимум в 80% из 117 образцов почвы, и эта основная группа в среднем составляла 21% бактерий в любом отдельном образце.

Исследование почв на шести континентах, проведенное в 2018 году, выявило схожие результаты: около 2% типов бактерий составляли почти половину всех бактерий в почве по всему миру.

Затем команда составила карту, на которой было выявлено, какие типы микроорганизмов появлялись и исчезали одновременно в 117 образцах. Обнаружилась связь между двумя типами, которые были многочисленны и редки в одних и тех же почвах. Так же обстояли дела и с парами, где одного вида было много, в то время как другого было мало.

В итоговой карте было представлено 9990 типов бактерий и 194 063 связи. Широко распространенные и обычные типы имели больше связей и более короткие пути к остальной части карты. 3560 редких типов были связаны в основном друг с другом и со средними типами, и лишь 15 связей соединяли распространенный тип напрямую с редким.

Затем команда задала вопрос о том, что позволяет предсказать сложность каждого участка карты почвы, то есть сколько типов почвы связано между собой и насколько плотно. Состав широко распространенной основной группы был наиболее тесно связан с этой сложностью. Почвы с более плотной сетью бактерий также показали более высокую стабильность, причем разница была настолько мала, что один фактор объяснял примерно половину вариации другого.

В данном исследовании стабильность оценивалась как баланс между парами бактерий, движущимися вместе, и парами, движущимися в противоположных направлениях. Авторы интерпретируют увеличение доли противоборствующих пар как баланс между конкуренцией и сотрудничеством, что, как считается, помогает сообществу противостоять внешним воздействиям.

По этому показателю редкие типы были группой, наиболее тесно связанной со стабильностью. Широко распространенная основная группа влияла на стабильность лишь косвенно, через организуемую ею сложность. Второй метод, который ранжирует наиболее важные факторы, дал тот же ответ. Стабильность отражала состав бактерий, прежде всего редких, а сложность — состав почвы и климата.

Авторы объясняют это разнообразием. В почве обитает так много разных редких видов, что несколько из них могут выполнять одну и ту же работу, поэтому сообщество может потерять несколько видов и продолжать функционировать.

В ходе эксперимента 2020 года, в ходе которого почву перемещали между различными климатическими зонами, было обнаружено то же самое, но в обратном направлении: редкие бактерии в них оставались более устойчивыми, чем распространенные.

«Ключевые бактерии помогают организовать сложную микробную сеть, в то время как редкие бактерии вносят особенно важный вклад в ее стабильность», — сказал соавтор иссследования Син Ван. «Эти группы микроорганизмов по-разному реагируют на изменения окружающей среды, но вместе они помогают поддерживать микробные сообщества почвы».

Распространенные бактерии были дифференцированы по климатическим условиям. сследователи также сравнили состав каждой группы с закономерностью, которая возникла бы просто случайно. Это позволило им определить, определяла ли окружающая среда, какие бактерии где живут, или же появление и исчезновение бактерий были в значительной степени случайными.

Изначально они ожидали, что окружающая среда отсеет редкие бактерии, имеющие узкие потребности, а распространенные, способные жить практически где угодно, останутся на произвол судьбы. Но этого не произошло.

Вместо этого, условия окружающей среды способствовали отбору широко распространенной основной группы, и этот отбор усиливался по мере того, как условия на двух участках существенно различались.

Редкие и распространенные группы формировались в большей степени случайно, и эта закономерность усиливалась по мере удаления друг от друга двух участков. Климат сыграл решающую роль в определении широко распространенных и обычных групп в районах с годовым количеством осадков от 365 миллиметров до 911 миллиметров.

Редкие виды в большей степени реагировали на особенности самой почвы, ее кислотность и содержание питательных веществ. Таким образом, более теплый или сухой климат может повлиять на организаторов с одной стороны, а на стабилизирующие структуры — с другой.

Все образцы были взяты из верхнего слоя почвы толщиной 10 сантиметров на одном плато и собраны в июле 2016 года. Взаимосвязь между окружающей средой, бактериями и стабильностью сохранялась и после того, как команда учла расстояние между участками и то, что на них произрастало.

В исследовании не удаётся сказать, сохранится ли такое же разделение между организаторами и стабилизаторами на большей глубине под землёй, в другой сезон или после засушливого года. Более ранние исследования водорослей на сельскохозяйственных угодьях выявили устойчивое ядро, сохраняющееся в течение всего года, в то время как остальная часть обновлялась в зависимости от времени года. В данном исследовании не удалось проверить, проявляют ли свои редкие стабилизаторы тот же эффект.

Следующий шаг авторов очевиден. Они хотят исследовать более глубокие слои почвы и проводить повторные отборы проб в течение сезонов и лет, чтобы выяснить, сохраняются ли выявленные ими закономерности в течение одного июля в дальнейшем.