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単純なルールは、環境の変化に対する土壌微生物叢の反応を支配します

Newswise - 他の生物と同様に、土壌には独自の代謝があります。植物、虫、昆虫、そして最も重要なことに、土壌中の微生物は、有機物を分解し、栄養素を消費して生成し、他の材料を処理して土壌に独自の寿命を与えます。これらの生態系の代謝の多くを駆動する土壌微生物叢は、非常に複雑であり、計り知れない相互作用とダイナミクスを備えた数千種で構成されています。しかし、土壌の複雑さを考えると、そこに住む微生物のコミュニティが、温度、湿気、酸性度、栄養の利用可能性など、環境の変化にどのように反応するかを理解することはほとんど不可能です。土壌微生物叢が絶えず変化する環境条件と気候変動にどのように適応するかを理解したい場合、この問題を解決することは重要です。シカゴ大学の新しい研究は、一見単純な数学モデルが土壌が環境の変化にどのように反応するかを説明できることを示しています。 2つの変数のみを使用して、このモデルは、pHレベルの変化により、コミュニティの3つの異なる代謝状態が一貫して得られることを示しています。研究、 今週公開 自然、複雑なシステムの集合的な行動を数学的に記述することが複雑さをどのように削減できるかを強調し、土壌とその代謝がどのように変化に反応するかを予測できるようにします。最終的に、これは科学者が農業を改善したり、生態系を回復するための介入を設計するのに役立ちます。「人々がこれらの生態系について考えるとき、彼らはあなたがシステム全体の数千の変数、相互作用する種、および彼らが消費しているリソースを含む数学的説明を書き留めなければならないと仮定します」と言いました。 セッペ・キューン博士、シカゴ大学の生態学と進化の准教授、および論文の上級著者。 「だから、これを簡単に説明できたという事実は、非常に知的に満足のいくものでした。」土壌を分析するためのヘラクレスの努力この研究は、 Kiseok Lee、博士号、Kuehn's Labの最近卒業した学生。彼は、ワシントン州プルマンのクック農業農場のpH勾配全体に20の天然土壌をサンプリングしました。その後、彼は各在来の土壌のpHをラボでわずかに増加させ、1,500のマイクロコスム実験を行いました。pHレベルは、溶液中の水素イオンの濃度の尺度です。 pHが低いことは、より酸性（水素イオンが多い）を意味し、pHが高いことはより塩基性またはアルカリ性（水素イオンが少ない）を意味します。土壌中のpHのレベルは、そこに住む微生物の種類、それらの代謝活動、土壌の化学に影響を与えるため、重要です。研究者は、嫌気性硝酸呼吸に対するpHの変化の影響をテストしたいと考えていました。これは、嫌気性微生物（酸素を必要としないもの）を使用してエネルギーを生成するプロセスです。硝酸呼吸は、農業と土壌の健康における重要な代謝プロセスです。リーは骨の折れるようにサンプルをプレートに置き、それぞれに土壌を保持するための48個の井戸があり、水、硝酸塩、酸または塩基溶液を変化させました。サンプルの準備とインキュベーションには数か月かかりました。その後、リーは各縮図で硝酸塩の時系列測定を行いました。これは、合計15,000の測定値で、すべて手で測定されました。 「私はマシンでした」とリーは言った。サンプリングとテストのいずれかを自動化できるかどうかを尋ねられた。一見単純なモデリングリーとキューンは一緒に働いた Siqi Liu博士、共同ファーストの著者であり、研究研究所の元大学院生と共同著者 Madhav Mani博士、ノースウェスタン大学の工学科学准教授と応用数学と、共同の著者とともに ミハイル・ティコノフ博士、セントルイスのワシントン大学の物理学准教授。チームは、硝酸塩を代謝したため、1,500の各サンプルのダイナミクスを記述するモデルを作成しました。彼らは、単純なモデルが2つのパラメーターのみで活動を予測することを発見しました：先住民族のバイオマス活性と利用可能な成長制限栄養の量。 pHの変更方法に応じて、3つの一貫した結果が見られました。体制I、または「酸性死亡体制」：酸味への大きな変化は機能的バイオマスの死を引き起こしたレジームII、「栄養制限レジーム」：中程度の変化、酸性または塩基性の間、硝酸代謝は制限栄養素（炭素）の利用可能性によって制限され、線形硝酸ダイナミクスをもたらしました。レジームIII、「復活成長レジーム」：基本的な条件に向けて大きな変化により、微生物の支配的なグループが活動性が低下しましたが、まれなグループは急速に成長し、硝酸塩を指数関数的に代謝しました「どのようにpHを混乱させても、生態系全体が示すこれらの3つの動的なクラスの動作クラスだけがあります。それ以外では、他に何も許可されていません」とキューンは言いました。 「それは本当に非常に印象的です。なぜなら、あなたはより低いレベルでこのすべての複雑さを持っているからです。「これは、重要な理論的質問につながります。単一の粗いモデルで多様な種を数十種類に要約しても大丈夫ですか？」ティコノフは言った。 「ここで、KiseokとSiqiは、粗い説明がデータの優れた近似であるだけでなく、摂動に対するコミュニティの対応について一般的なものを捉えていることを示すことができました。」使用する新しいモデルを配置します土壌微生物叢がこれらの変化にどのように反応するかを理解することは、介入の設計に役立ちます。たとえば、農場からの窒素肥料の流出が近くの水路を汚染する場合、当局は藻類の咲くのを防ぐためにpHを増やし、過剰な硝酸塩を除去するための措置を講じることができます。「これらのシステムが将来の摂動にどのように対応するかを理解したい場合、可能な一連の応答を区切ることは明らかに非常に有用です」とキューンは言いました。研究者はまた、同じモデリングアプローチを他の環境要因に適用できると考えています。「バイオマス活性と限定的な栄養素によって表されるコミュニティの回復力に焦点を当てることは、異なる量の摂動が異なる効果を引き出すことを示しています」とリーは言いました。 「これは、温度、pH、塩分、または他のものからであろうと、さまざまな環境変化に対して他の微生物システムの機能的応答を解明するために適用できることを意味すると思います。」研究、 "機能体制は、環境変化に対する土壌微生物叢の反応を定義します」は、国立科学財団、国立総医療科学研究所、ウチカゴの生物システムセンター、生物学の国立数学研究所、サイモンズ財団、チャン・ザッカーバーグのイニシアチブによって支援されました。 #単純なルールは環境の変化に対する土壌微生物叢の反応を支配します