Но под землей почва свидетельствует о невероятном разнообразии и хаосе жизни даже на самом маленьком клочке земли. Всего в чайной ложке почвы Канзаса содержатся десятки тысяч видов микробов.
Теперь ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории более полно раскрыли этот микробный беспорядок в Канзасе, чем когда-либо делали для образца почвы.В одном из самых глубоких на сегодняшний день исследований метагенома почвы — всего генетического материала, извлеченного из образца почвы — команда реконструировала части геномов 129 видов микробов. Хотя это лишь малая часть из примерно 100 000 видов в выборке, это большой шаг вперед для ученых, которым на сегодняшний день удалось достичь лишь малой части этого успеха.Результаты включают первую реконструкцию полного генома одного микроба из сложного образца почвы.
Другие группы реконструировали полные геномы микробов из менее сложных сред, включая шахты, микробные маты и микробиом человека.Результаты были недавно опубликованы в mSystems, издании Американского общества микробиологов.Почвенные микробы: критически важны для климата и окружающей средыМикробы в почве в значительной степени определяют, как планета накапливает углерод, когда и как углерод попадает в окружающую среду, как растения поглощают питательные вещества и как растут урожаи.
Хотя многие люди познакомились с сообществом микробов, которые живут на нас, с нами и внутри нас — с человеческим микробиомом, — почвенный микробиом менее известен, но имеет решающее значение для судьбы нашей планеты. Больше знаний о микробах помогает ученым понять изменение климата и силы, определяющие здоровье нашей планеты.
Хотя ученые добились успехов, выясняя, какие виды присутствуют в сложных образцах почвы, то, как эти виды взаимодействуют друг с другом, остается чрезвычайно сложной проблемой.«Мы пытаемся разобраться в общих вопросах. Что делают различные микробы в микробном сообществе?
Какие виды очень активны, а какие кажутся бездействующими? Как все они подходят друг другу?» сказала микробиолог Джанет Янссон, автор корреспонденции.
«Сегодня мы можем очень быстро собрать огромные данные о микробных сообществах, но очень сложно собрать информацию, чтобы создать целостную картину», — добавила она.Янссон обратился к своему научному сотруднику Ричарду Аллену Уайту III, первому автору статьи, чтобы взяться за решение задачи по расчленению геномов.
Копаем грязь в прериях КанзасаКоманда начала с данных, собранных в образце невозделываемых местных прерий Канзаса, собранных на биологической станции Прерии Конза на северо-востоке Канзаса. Ученые собрали генетические данные ранее в рамках Инициативы Grand Challenge по метагеному почв Великих прерий в Объединенном институте генома, учреждении Министерства энергетики США.Почва Канзаса родом с Великих равнин, где почва имеет высокое содержание углерода по сравнению с другими почвами.
Такие ученые, как Янссон, изучают, что произойдет с почвой при изменении климата. Например, выброс парниковых газов в атмосферу может быть выше, если микроорганизмы быстрее преобразуют углерод в диоксид углерода.Исследуемый образец включал более 250 миллиардов пар оснований генетических данных, в основном микробов, которые ждали, чтобы научная группа с наглостью попыталась разобраться в этом.
Команда Янссона взяла на себя эту задачу, распутав объем информации, примерно равный всем данным, передаваемым через 200 сотовых телефонов за месяц.Генетический материал не был аккуратно упакован.
Он был разорван, расколот, скручен, раздавлен и подвергся всяческого неуважения.«Представьте, что вы берете толстую книгу, написанную на сотнях разных языков, разрезаете ее на части размером с рисовые зерна, а затем снова собираете их», — сказал Уайт. «Это мало чем отличается от проблемы, с которой мы сталкиваемся, когда пытаемся понять, что происходит даже в горстке почвы».Янссон считает, что распутывание микробов в почве является особенно сложной задачей из-за их огромного разнообразия.
По оценкам ученых, в типичном образце почвы обитает в 50-100 раз больше видов микробов, чем в кишечнике человека. Кроме того, большинство микробов из почвы никогда не выращивались в лаборатории, где их можно было бы тщательно изучить.
Объединение ДНК почвыУченые используют несколько методов, чтобы точно связать нити ДНК. Эти методы обычно представляют собой комбинацию сложных химических методов и программных алгоритмов, разработанных для понимания генетического материала. Ключом к успеху команды стало использование мощных суперкомпьютеров в PNNL и EMSL, Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде.
EMSL — это научный центр Министерства энергетики США на территории кампуса PNNL.Для проведения исследования Уайт использовал технологию секвенирования, первоначально разработанную в лаборатории его бывшего советника Стивена Квейка из Стэнфорда. Ученые используют инструмент анализа генома, чтобы разбить ДНК на более мелкие части, затем упорядочить их и собрать на более длинные части.Когда команда объединила эту технологию с другими методами, они получили 10 000 фрагментов ДНК, каждая длиной более 10 пар оснований — более 10 000 пар биологических соединений, составляющих ДНК.
Другие попытки взломать метагеном почвы привели к гораздо меньшим результатам, например, всего 9 фрагментов ДНК такой длины — менее одной тысячной от того, что достигла команда.«Почва — одна из самых сложных и разнообразных экосистем на планете.
Это сложный трехмерный субстрат; нет ничего более похожего на нее», — сказал Уайт.«Мы подошли к тому моменту, когда мы составили несколько длинных предложений очень большой книги», — добавил он. «Мы перешли от нескольких слов или частей слов к нескольким предложениям. Но нам предстоит еще долгий путь.
Мы находимся в наших маленьких этапах определения того, кто там и что они делают».