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Apr 21, 2024

Siccità re

Nature Microbiology volume 8, pagine 1480–1494 (2023) Cita questo articolo 1878 Accessi 28 dettagli sulle metriche alternative Gli impatti della siccità sull'attività microbica possono alterare il destino del carbonio nel suolo e portare alla perdita

Nature Microbiology volume 8, pagine 1480–1494 (2023)Citare questo articolo

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Gli impatti della siccità sull’attività microbica possono alterare il destino del carbonio nel suolo e portare alla perdita di carbonio immagazzinato nell’atmosfera sotto forma di CO2 e composti organici volatili (COV). Qui abbiamo esaminato gli impatti della siccità sull’allocazione del carbonio da parte dei microbi del suolo nella foresta pluviale tropicale artificiale della Biosfera 2 monitorando il 13C dal 13C-piruvato specifico per la posizione in CO2 e COV in parallelo con il multi-omics. Durante la siccità, l’efflusso di acetato, acetone e C4H6O2 (diacetile) arricchito con 13C è aumentato. Questi cambiamenti rappresentano un aumento della produzione e dell’accumulo di metaboliti intermedi guidati da una ridotta efficienza del ciclo del carbonio. Contemporaneamente, l’efflusso di 13C-CO2 è diminuito, guidato da una diminuzione dell’attività microbica. Tuttavia, l’allocazione del carbonio microbico nel guadagno energetico relativo alla biosintesi è rimasta invariata, a significare il mantenimento della domanda di energia per la biosintesi dei COV e altri percorsi indotti dallo stress da siccità. Nel complesso, mentre la perdita di carbonio nell’atmosfera attraverso la CO2 diminuiva durante la siccità, la perdita di carbonio attraverso l’efflusso di COV aumentava, indicando cambiamenti indotti dai microbi nel destino del carbonio nel suolo.

I microrganismi regolano il ciclo del carbonio (C) terrestre in modi fondamentali1, inclusa la trasformazione del C del suolo in composti gassosi che possono fuoriuscire nell’atmosfera, principalmente come CO2 attraverso la respirazione eterotrofa microbica. Tuttavia, i microbi producono anche composti organici volatili (COV) come intermedi metabolici, molecole di segnalazione e metaboliti secondari2,3. Infatti, i metaboliti volatili rappresentano un sottoinsieme spesso trascurato del metaboloma completo del suolo4,5 e, sebbene le loro emissioni nell’atmosfera rappresentino solo una piccola perdita di carbonio nel suolo, contribuiscono in modo sostanziale alla chimica atmosferica, compresa la formazione di ozono e i nuclei di condensazione delle nuvole6. Pertanto, caratterizzare il flusso di C mediato dai microbi lungo il continuum suolo-atmosfera è fondamentale per comprendere il destino del C nel suolo e dei COV in caso di cambiamenti ambientali previsti, inclusa la siccità.

Lo stress da siccità induce risposte fisiologiche microbiche ben caratterizzate che influiscono sul metabolismo del C, come la biosintesi di molecole protettive (ad esempio osmoliti e sostanze polimeriche extracellulari) per preservare l'integrità cellulare7,8 e concentrare le risorse9,10. La produzione di queste biomolecole è ad alta intensità energetica e può sottrarre risorse alla sintesi della biomassa9, portando a una diminuzione della respirazione eterotrofa che alimenta la crescita e delle emissioni di CO211,12. La siccità induce anche cambiamenti nella composizione e nella disponibilità di C nel suolo13,14,15, influenzando ulteriormente l'attività microbica16,17, ad esempio, inducendo cambiamenti nell'utilizzo del substrato18. Nel complesso, non è chiaro in che modo i cambiamenti indotti dalla siccità nel metabolismo microbico e nella composizione del carbonio nel suolo influenzino l’allocazione del carbonio ai metaboliti volatili, che possono mitigare lo stress da siccità nelle piante19. Inoltre, il contenuto di acqua nel suolo ha un forte impatto sulle emissioni di COV provenienti dal suolo20, compresi i suoli tropicali21,22, forse a causa degli impatti della siccità sulla biosintesi e/o sul consumo di COV microbici. Caratterizzare i cambiamenti nel ciclo e nella distribuzione del C microbico è particolarmente importante nei suoli delle foreste pluviali tropicali dove la siccità probabilmente si verificherà più frequentemente e durerà più a lungo a causa dei cambiamenti climatici23,24.

Rilevare i cambiamenti nel ciclo e nella distribuzione del C microbico all’interno di complesse reti metaboliche che comprendono percorsi di produzione e consumo concorrenti è impegnativo. Questa complessità può essere superata monitorando il flusso di C mediato dai microbi attraverso i suoli utilizzando metaboliti centrali marcati isotopicamente. La marcatura posizione-specifica del glucosio 13C e/o del piruvato 13C è stata utilizzata per tracciare la distribuzione microbica di C nella CO2 e nella biomassa nei mesocosmi del suolo25,26,27. Mancano tuttavia studi sulla siccità sul campo e sull’assegnazione ai COV28. Le informazioni metaboliche dirette derivate dall'etichettatura degli isotopi possono essere contestualizzate utilizzando vincoli potenti e ricchi di informazioni forniti da approcci omici che profilano il contenuto genico, l'espressione genica e i metabolomi dei microbiomi del suolo26. Insieme, questi approcci possono scoprire i fattori metabolici dello spostamento del ciclo microbico e della distribuzione del C nei suoli sottoposti a siccità.