یکی از دقیق ترین مطالعات ژنومی هر اکوسیستمی تا به امروز، دنیای زیرزمینی با تنوع میکروبی خیره کننده را نشان داده است و ده ها شاخه جدید به درخت زندگی اضافه کرده است.
غذا باکتریایی از دانشمندانی می آید که ژنوم بیش از 2500 میکروب را از نمونه های رسوب و آب زیرزمینی جمع آوری شده در آبخوانی در کلرادو بازسازی کردند. این تلاش توسط محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی (آزمایشگاه برکلی) و UC برکلی رهبری شد. توالی یابی DNA در مؤسسه ژنوم مشترک، یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE انجام شد.
همانطور که در 24 اکتبر در مجله Nature Communications به صورت آنلاین گزارش شده است، دانشمندان ژنوم 80 درصد از کل فیلاهای باکتریایی شناخته شده را جمع آوری کردند که درجه قابل توجهی از تنوع بیولوژیکی در یک مکان است. آنها همچنین 47 گروه باکتریایی جدید در سطح شاخه را کشف کردند که بسیاری از آنها را به نام میکروبیولوژیست های تأثیرگذار و دانشمندان دیگر نامگذاری کردند. و آنها بینش های جدیدی در مورد اینکه چگونه جوامع میکروبی با هم کار می کنند تا فرآیندهایی را که برای آب و هوا و زندگی سیاره در همه جا حیاتی هستند، مانند چرخه کربن و نیتروژن، هدایت کنند.
این یافته‌ها یکی از مهم‌ترین و ناشناخته‌ترین حوزه‌های حیات زمین را روشن می‌کند. جهان زیرزمینی میزبان یک پنجم کل زیست توده است، اما این یک راز باقی مانده است.
"ما انتظار نداشتیم که این تنوع میکروبی باورنکردنی را پیدا کنیم. اما باز هم، ما اطلاعات کمی در مورد نقش میکروب های زیرسطحی در فرآیندهای بیوژئوشیمیایی داریم، و به طور کلی، ما واقعاً نمی دانیم چه چیزی در آن پایین است." جیل بانفیلد، دانشمند ارشد دانشکده در بخش علوم اقلیمی و اکوسیستم آزمایشگاه برکلی و استاد دانشگاه برکلی در بخش‌های علوم زمین و سیاره، و علوم محیطی، سیاست‌گذاری و مدیریت می‌گوید.
Karthik Anantharaman از UC Berkeley، اولین نویسنده مقاله، می افزاید: "برای درک بهتر اینکه میکروب های زیرسطحی در چه کاری هستند، رویکرد ما دسترسی به کل ژنوم آنها است. این ما را قادر ساخت تا وابستگی متقابل بیشتری را در بین میکروب ها کشف کنیم. ما قبلا دیده ایم."
این تحقیق بخشی از یک پروژه تحت رهبری آزمایشگاه برکلی به نام منطقه کانونی علمی سیستم های پایدار 2.0 است که در حال توسعه یک درک پیش بینی کننده از محیط های زمینی از ژنوم تا مقیاس حوضه است. تحقیقات میدانی این پروژه در یک سایت تحقیقاتی در نزدیکی شهر ریفل، کلرادو، جایی که در چندین سال گذشته دانشمندان آزمایش‌هایی را انجام داده‌اند که برای تحریک جمعیت میکروب‌های زیرزمینی طراحی شده‌اند که به طور طبیعی در تعداد بسیار کم وجود دارند، انجام می‌شود.
دانشمندان نمونه‌های خاک و آب این آزمایش‌ها را برای تعیین توالی متاژنومی در مقیاس تراباز به مؤسسه ژنوم مشترک فرستادند. این روش با توان بالا، DNA را از نمونه های محیطی جدا و خالص می کند و سپس یک تریلیون جفت باز DNA را در یک زمان توالی یابی می کند.سپس، دانشمندان از ابزارهای بیوانفورماتیک توسعه یافته در آزمایشگاه بانفیلد برای تجزیه و تحلیل داده ها استفاده کردند.
رویکرد آنها درخت زندگی را دوباره ترسیم کرده است. بین 47 گروه باکتریایی جدید گزارش شده در این کار، و 35 گروه جدید منتشر شده در سال گذشته (همچنین در سایت Rifle یافت شد)، تیم بانفیلد تعداد گروه های باکتریایی شناخته شده را دو برابر کرده است.
همراه با کشف، حقوق نامگذاری نیز به وجود می آید. دانشمندان بسیاری از گروه های باکتری جدید را به افتخار محققان آزمایشگاه برکلی و دانشگاه کالیفرنیا برکلی نام گذاری کردند. به عنوان مثال، Candidatus Andersenbacteria، پس از مخترع فیلوچیپ، گری اندرسن، و Candidatus Doudnabacteria، پس از جنیفر دودنا، پیشگام در ویرایش ژنوم CRISPR وجود دارد. بانفیلد در اشاره به شانزده عنصر کشف شده در آزمایشگاه برکلی و دانشگاه کالیفرنیا برکلی می گوید: "برکلی اکنون بر درخت زندگی مانند جدول تناوبی تسلط دارد".
یکی دیگر از نتایج بزرگ، درک عمیق‌تر نقش میکروب‌های زیرسطحی در چرخه‌های کربن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد مهم جهانی است. این اطلاعات به نمایش بهتر این چرخه ها در مدل های پیش بینی کننده مانند شبیه سازی آب و هوا کمک می کند.
دانشمندان آنالیزهای متابولیکی 36 درصد از موجودات شناسایی شده در سیستم آبخوان را انجام دادند. آنها بر روی پدیده ای به نام انتقال متابولیک تمرکز کردند که اساساً به این معنی است که ضایعات یک میکروب غذای میکروب دیگری است. از مطالعات آزمایشگاهی مشخص است که در واکنش‌های خاصی نیاز به انتقال داده می‌شود، اما این شبکه‌های به هم پیوسته در دنیای واقعی گسترده‌تر و بسیار پیچیده‌تر هستند.
برای درک اینکه چرا مهم است که انتقال متابولیک را تا حد امکان دقیق در مدل ها نشان دهیم، نیترات را در نظر بگیرید، یک آلاینده آب زیرزمینی از کودها. میکروب های زیرسطحی محرک اصلی در کاهش نیترات به گاز نیتروژن بی ضرر هستند. در این فرآیند نیترات زدایی چهار مرحله وجود دارد و مرحله سوم اکسید نیتروژن را ایجاد می کند - یکی از قوی ترین گازهای گلخانه ای. اگر میکروب هایی که مرحله چهارم را انجام می دهند با ورود پالس نیترات به سیستم غیرفعال باشند، فرآیند از بین می رود.
Anantharaman می گوید: "اگر میکروب ها برای پذیرش انتقال اکسید نیتروژن وجود نداشته باشند، گاز گلخانه ای به اتمسفر فرار می کند."
دانشمندان دریافتند چرخه های کربن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد همگی ناشی از انتقال متابولیک است که به درجه بالایی از وابستگی متقابل بین میکروب ها نیاز دارد. اکثریت قریب به اتفاق میکروارگانیسم ها نمی توانند به تنهایی یک ترکیب را به طور کامل کاهش دهند. یک تیم می خواهد. همچنین میکروب های پشتیبان آماده برای انجام انتقال در صورت در دسترس نبودن میکروب های رشته اول هستند.
بانفیلد می گوید: "ترکیب تنوع میکروبی بالا و اتصالات متقابل از طریق انتقال متابولیک به احتمال زیاد منجر به انعطاف پذیری اکوسیستم بالا می شود."
