Studio delle comunità microbiche nelle risaie del delta di San Joaquin, i ricercatori hanno collegato il metabolismo microbico e la disponibilità di nutrienti ai tassi di ciclo del carbonio nel suolo.

Stabilire le interrelazioni tra metabolismo microbico, la disponibilità di nutrienti e i tassi di ciclo del carbonio nel suolo sono fondamentali per l'applicazione delle informazioni genomiche per comprendere il ciclo globale del carbonio. Nel mostrare come il metabolismo microbico sia regolato dal ciclo accoppiato dei nutrienti e dalla disponibilità di carbonio nel suolo, i ricercatori dimostrano come gli studi di genomica delle comunità microbiche possono essere scalati fino al livello degli ecosistemi, che contribuirà a una più profonda comprensione dei processi ecologici e aiuterà lo sviluppo di migliori modelli globali di ciclo del carbonio.

Per comprendere meglio la relazione tra il ciclo del carbonio, disponibilità di nutrienti, e comunità microbiche nel suolo è necessario condurre studi attraverso un gradiente di nutrienti. Le risaie sono sistemi di zone umide modello che consentono ai ricercatori di concentrarsi su variabili biogeochimiche scelte, mentre fattori come l'acqua e la vegetazione sono controllati. Adiacenti alle zone umide ripristinate dell'isola di Twitchell ci sono risaie con un contenuto di carbonio nel suolo che può variare tra il 2,5 percento e il 25 percento, copre gran parte della gamma globale di carbonio presente nei suoli. Le zone umide sono di interesse per il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per comprendere il ruolo delle comunità microbiche negli impatti a lungo termine sulle emissioni di carbonio e sul sequestro del carbonio. Questi ecosistemi possono intrappolare fino al 30% del carbonio globale del suolo, ma contribuiscono per quasi il 40% alle emissioni globali di metano, fornendo un'opportunità per comprendere i loro ruoli sia come pozzi di carbonio che come fonti di carbonio. Ricercatori del Joint Genome Institute, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, ha studiato gli ecosistemi dell'isola di Twitchell nel delta di Sacramento-San Joaquin, dove l'US Geological Survey ha condotto uno studio pilota sulle zone umide ripristinate.

Una combinazione di sequenziamento metagenomico di campioni di suolo, la caratterizzazione biogeochimica e le misurazioni settimanali delle emissioni di gas serra hanno portato ai risultati del team, pubblicato in ISME Journal . I risultati suggeriscono che i tassi metabolici microbici si allineano con la teoria della stechiometria biologica, una teoria metabolica dell'ecologia che suggerisce che gli organismi con tassi di crescita più rapidi richiedono più fosforo per aumentare la sintesi proteica ricca di azoto. Fino ad ora, questa teoria non era stata applicata ai microbi del suolo in situ a causa di limitazioni metodologiche, che gli scienziati hanno affrontato utilizzando un nuovo approccio genomico.

Studiando le comunità microbiche in questi suoli, i ricercatori hanno scoperto che la velocità con cui i microbi scompongono la materia organica è accoppiata alla disponibilità di carbonio, azoto e fosforo nei suoli. Nello specifico, la disponibilità di fosforo è un fattore chiave nel determinare i tassi di ciclo del carbonio nel suolo. L'abbondanza di fosforo aumenta l'attività microbica e i tassi metabolici, che a sua volta significa un maggiore turnover del carbonio. Il fosforo più basso nei suoli ad alto contenuto di carbonio può aiutare a stabilizzare il carbonio accumulato, mentre i terreni ad alto contenuto di fosforo possono perdere più rapidamente le riserve di carbonio. Queste associazioni a livello di ecosistema si sono riflesse anche nei dati genomici dei microbi del suolo che guidano il ciclo degli elementi del suolo. I dati sulla sequenza del metagenoma del suolo sono stati valutati per il potenziale microbico di metabolizzare il carbonio, azoto e fosforo, mentre il software di profilazione funzionale predittiva ha permesso ai ricercatori di confrontare i compromessi in queste funzioni tra i lignaggi microbici. Questo approccio ha rivelato cluster di sequenze genomiche che potrebbero essere raggruppate in "gilde" basate su profili genomici di geni metabolici, che i ricercatori hanno utilizzato per sviluppare nuovi modelli predittivi della composizione della comunità microbica e del ciclo del carbonio nel suolo. Questo lavoro è un importante passo avanti verso la comprensione della relazione tra comunità microbiche e nutrienti del suolo e gli effetti di tali interazioni sull'attività e sulla salute dell'ecosistema.