Analys visar mångfald på de minsta skalorna hos svavelcyklande mikrober i salta träsk

Cowlicks i salt marsh grass (Sporobolus pumilus) i Plum Island Ecosystem Long-Term Ecological Research reserve, som administreras av MBL Ecosystems Center. Kredit: David S. Johnson. Kredit: David S. Johnson & Marine Biological Laboratory
Cowlicks i salt marsh grass (Sporobolus pumilus) i Plum Island Ecosystem Long-Term Ecological Research reserve, som administreras av MBL Ecosystems Center. Kredit: David S. Johnson. Kredit: David S. Johnson & Marine Biological Laboratory

På ytan kan saltängar och deras vindpinade gräs se bedrägligt enkla ut. Men de är fulla av biologisk mångfald, från insekter och flyttfåglar i luften hela vägen ner till de mikrober som lever i jorden. Forskare från Marine Biological Laboratory (MBL) har upptäckt att även bland de svavelcyklande mikrober som är ansvariga för lukten av ”ruttna ägg” i luften från salta våtmarker, sträcker sig mångfalden hela vägen till genomet och till och med till enskilda nukleotider.

För att studera förhållandet mellan strandgräs och de svavelcyklande mikrober som lever i sedimenten runt deras rötter analyserade MBL-forskare DNA-sekvenserade dataset av mikrober som samlats in från saltmarskområden i Massachusetts och Alabama. Denna djupgående analys av den svavelcyklande mikrobiella mångfalden i saltträsk – från hela deras genom ner till enstaka nukleotider – publicerades den 26 oktober i Applied and Environmental Microbiology.

I saltmyrar är svavelcykeln nära kopplad till kolcykeln, och friska saltmyrar lagrar en mycket stor mängd kol i torv och tillhörande jordmineraler.

”Vi har i årtionden vetat hur otroligt mångsidiga mikrobiella samhällen det finns där ute i saltmyrarna”, säger Zoe Cardon, senior forskare vid MBL. ”Tack vare de här djupgående sekvenserings- och analysverktygen kan vi nu ta ett prov av sediment från saltängar och inte bara göra den sekvensering som krävs för att identifiera vilka mikrober som finns där, utan även konstruera en representation av deras individuella genom i datorer.”

Dessa representationer kallas MAG (metagenome assembled genomes) och de kan analyseras via datorn utan att man behöver odla de enskilda mikroberna i en petriskål. Det är viktigt, eftersom väldigt få av planetens mikrober har odlats. Bara i den här studien kom 29 av de 38 isolerade MAG:erna från bakterier som aldrig hade odlats.

”Vi studerade mikrobiella samhällen på två sätt: vi tittade på skillnader på DNA-sekvensnivå med en enda nukleotid – på den bokstavliga A-T-C-G-skalan – och jämförde dem på pan-genomnivå. Det var fascinerande att utveckla denna metagenomiska pipeline för att analysera dessa data”, säger Sherlynette Pérez Castro, en av de ledande författarna till artikeln. Pérez Castro var postdoktoral forskare vid Cardon Lab på MBL och har sedan dess gått vidare till en tjänst vid University of Georgia.

Cardon beskrev det som att leta efter en nål i en höstack full av nålar. ”Men tack vare den relativt djupa sekvenseringen och de fantastiska analysmetoderna kan man se saker på en annan nivå – istället för en hög med nålar kan man nu se en röd nål eller en blå nål”, säger hon.

Det finns två olika huvudtyper av svavelcyklande bakterier – sulfatreducerare, som hjälper till att bryta ned organiskt material men frigör en sulfid som är giftig för växterna, och svaveloxiderare, som tar bort den giftiga sulfiden och därmed främjar produktiviteten hos kärrväxterna. Mikroberna arbetar tillsammans för att hålla växterna och ekosystemet friska.

”För alla organismer finns det ett specifikt sätt på vilket mikroorganismerna och värden interagerar. Vi vill förstå hur växterna och de svavelcyklande bakterierna arbetar tillsammans”, säger Elena L. Peredo, huvudförfattare till artikeln. Peredo är adjungerad forskare vid MBL Ecosystems Center och biträdande professor vid Rochester Institute of Technology.

För Peredo var en av de mest spännande sakerna hur nära besläktade vissa av mikroberna var med varandra. ”Två av bakterierna var nästan identiska tills man började titta på specifika metaboliska vägar. I naturen brukar det vara så att när två organismer är så nära besläktade så konkurrerar den ena ut den andra”, säger hon. Ungefär på samma sätt som lejon och tigrar inte finns i samma ekosystem – det finns inte tillräckligt med resurser för att försörja dem båda.

”Mikroberna har olika kombinationer av gener som indikerar något olika variationer på temat sulfatreduktion och svaveloxidation, och en del av denna variation kan ligga bakom varför så många olika typer av svavelcyklande mikrober alla kan leva i sediment från salta träsk”, säger Cardon.

En mångsidig laginsats

Arbetet började som ett pandemiprojekt som genomfördes av forskare vid MBL:s Ecosystem Center och Josephine Bay Paul Center for Comparative Molecular Biology and Evolution. Gruppen studerade symbiosen mellan strandgräs och svavelcyklande mikrober under sommaren 2020, men pandemin satte stopp för fältarbetet. MBL:s personal gick därför samman med forskare som redan hade mycket stora DNA-sekvenseringsdatauppsättningar från mikrober i sediment från saltkärr i Massachusetts och Alabama, och projektet lanserades.

Den inledande datanedladdningen och den preliminära undersökningen utfördes med hjälp av fem sommarstudenter från flera universitet som fick stöd av två forskningsprogram för sommarstudenter – Metcalf Summer Undergraduate Research Program (SURF) och Woods Hole Partnership Education Program (PEP).

”Det som började som ett pandemiprojekt som kunde genomföras medan forskarna arbetade hemifrån, utvecklades till en spännande utforskning av olika svavelcykliska mikrober i salta träsk”, säger Cardon. Och genom att göra det utvecklade gruppen ett helt nytt sätt att integrera metagenomiska analyser från olika vetenskapliga perspektiv.

”En verklig styrka med MBL är att det är en plats där alla olika typer av [forskare] kan arbeta tillsammans”, säger Cardon. ”I det här arbetet hade vi människor som var intresserade av evolutionens drivkrafter, människor som var intresserade av ekologisk funktion, människor som var intresserade av växter – människor som kom in på allt detta från olika perspektiv men med ett gemensamt intresse.”

Ytterligare information: Pérez Castro, S. Diversity at single nucleotide to pangenome scales among sulfur cycling bacteria in salt marshes, Applied and Environmental Microbiology (2023). DOI: 10.1128/aem.00988-23

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.