Le paludi di acqua salata della Georgia, che vivono dove la terra incontra l'oceano, si estendono lungo l'intera costa di 100 miglia dello stato. Questi ricchi ecosistemi sono in gran parte dominati da una sola pianta:l'erba.
Conosciuta come cordgrass, la pianta è un ingegnere ecosistemico, fornisce habitat per la fauna selvatica, pulisce naturalmente l'acqua mentre si sposta dall'entroterra verso il mare e tiene insieme la costa in modo che non crolli. Cordgrass protegge anche le comunità umane dalle maree.
Comprendere come queste piante si mantengono in salute è di cruciale importanza ecologica. Ad esempio, un noto fattore di stress per le piante prevalente nei terreni paludosi è il composto di zolfo disciolto, il solfuro, che viene prodotto e consumato dai batteri. Ma mentre la costa della Georgia vanta una ricca tradizione di ricerca ecologica, comprendere le sfumature con cui i batteri interagiscono con le piante in questi ecosistemi è stato difficile. Grazie ai recenti progressi nella tecnologia genomica, i biologi della Georgia Tech hanno iniziato a rivelare processi ecologici mai visti prima.
Il lavoro del team è stato pubblicato su Nature Communications .
Joel Kostka, professore emerito di Tom e Marie Patton e presidente associato per la ricerca presso la Scuola di scienze biologiche, e Jose Luis Rolando, un ricercatore post-dottorato, hanno deciso di indagare sulla relazione tra la cordicella Spartina alterniflora e le comunità microbiche che popolano le sue radici , identificando i batteri e i loro ruoli.
"Proprio come gli esseri umani hanno microbi intestinali che ci mantengono sani, le piante dipendono dai microbi nei loro tessuti per la salute, l'immunità, il metabolismo e l'assorbimento dei nutrienti", ha detto Kostka. "Anche se conosciamo da molto tempo le reazioni che guidano il ciclo dei nutrienti e del carbonio nelle paludi, non ci sono molti dati sul ruolo dei microbi nel funzionamento dell'ecosistema."
Nella palude
Uno dei modi principali in cui le piante ottengono i loro nutrienti è attraverso la fissazione dell’azoto, un processo in cui i batteri convertono l’azoto in una forma utilizzabile dalle piante. Nelle paludi, questo ruolo è stato attribuito principalmente agli eterotrofi, ovvero ai batteri che crescono e ottengono la loro energia dal carbonio organico. I batteri che consumano la tossina solforata della pianta sono chemioautotrofi e utilizzano l'energia derivante dall'ossidazione del solfuro per alimentare l'assorbimento di anidride carbonica per produrre il proprio carbonio organico per la crescita.
"Grazie al lavoro precedente, sapevamo che Spartina alterniflora ha batteri solforati nelle sue radici e che esistono due tipi:batteri ossidanti lo zolfo, che utilizzano il solfuro come fonte di energia, e riduttori di solfato, che respirano solfato e producono solfuro, una nota tossina per le piante", ha detto Rolando. "Volevamo saperne di più sul ruolo che questi diversi batteri dello zolfo svolgono nel ciclo dell'azoto."
Kostka e Rolando si sono diretti all'isola di Sapelo, in Georgia, dove hanno condotto regolarmente ricerche sul campo nelle paludi salmastre. Avanzando nella palude, pale e secchi in mano, i ricercatori e i loro studenti hanno raccolto l'erba cordorosa insieme ai campioni di sedimenti fangosi che si aggrappano alle loro radici. Tornati al laboratorio sul campo, il team si è riunito attorno a una vasca piena d'acqua di un ruscello e ha lavato con cura l'erba, separando delicatamente le radici delle piante.
Successivamente, hanno utilizzato una tecnica speciale che coinvolge versioni più pesanti di elementi chimici presenti in natura come traccianti per tracciare i processi microbici. Hanno anche analizzato il DNA e l'RNA dei microbi che vivono in diversi compartimenti delle piante.
Utilizzando una tecnologia di sequenziamento nota come metagenomica shotgun, sono stati in grado di recuperare il DNA dell’intera comunità microbica e ricostruire i genomi di organismi appena scoperti. Allo stesso modo, il sequenziamento dell'RNA non mirato della comunità microbica ha permesso loro di valutare quali specie microbiche e funzioni specifiche fossero attive in stretta associazione con le radici delle piante.
Usando questa combinazione di tecniche, hanno scoperto che anche i batteri chemioautotrofi ossidanti lo zolfo erano coinvolti nella fissazione dell'azoto. Questi batteri non solo aiutavano le piante a disintossicare la zona radicale, ma svolgevano anche un ruolo cruciale nel fornire azoto alle piante. Questo duplice ruolo dei batteri nel ciclo dello zolfo e nella fissazione dell'azoto evidenzia la loro importanza negli ecosistemi costieri e il loro contributo alla salute e alla crescita delle piante.
"Le piante che crescono in aree con alti livelli di accumulo di solfuri tendono ad essere più piccole e meno sane", ha affermato Rolando. "Tuttavia, abbiamo scoperto che le comunità microbiche all'interno delle radici di Spartina aiutano a disintossicare il solfuro, migliorando la salute e la resilienza delle piante."
I cordgrass non sono solo i principali attori nelle paludi della Georgia; dominano anche i paesaggi paludosi di tutto il sud-est, comprese le Carolina e la costa del Golfo. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che gli stessi batteri sono associati alle radici della gramigne, delle mangrovie e delle fanerogame marine negli ecosistemi costieri di tutto il pianeta.
"Gran parte della costa nei climi tropicali e temperati è coperta da zone umide costiere", ha detto Rolando. "Queste aree probabilmente ospitano simbiosi microbiche simili, il che significa che queste interazioni influiscono sul funzionamento dell'ecosistema su scala globale."
Guardando al futuro, i ricercatori intendono esplorare ulteriormente i dettagli di come le piante palustri e i microbi scambiano azoto e carbonio, utilizzando tecniche di microscopia all’avanguardia abbinate alla spettrometria di massa ad altissima risoluzione per confermare i loro risultati a livello di cellula singola. livello.
"La scienza segue la tecnologia ed eravamo entusiasti di utilizzare i più recenti metodi genomici per vedere quali tipi di batteri erano presenti e attivi", ha affermato Kostka. "C'è ancora molto da imparare sulle intricate relazioni tra piante e microbi negli ecosistemi costieri, e stiamo iniziando a scoprire l'entità della complessità microbica che mantiene sane le paludi."
Ulteriori informazioni: J. L. Rolando et al, L'ossidazione e la riduzione dello zolfo sono accoppiate alla fissazione dell'azoto nelle radici della pianta di fondazione delle paludi salmastre Spartina alterniflora, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47646-1
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal Georgia Institute of Technology
