Estudando comunidades microbianas nos campos de arroz de San Joaquin Delta, pesquisadores vincularam o metabolismo microbiano e a disponibilidade de nutrientes às taxas de ciclagem de carbono do solo.

Estabelecendo as inter-relações entre o metabolismo microbiano, A disponibilidade de nutrientes e as taxas de ciclagem do carbono no solo são essenciais para a aplicação de informações genômicas para entender o ciclo global do carbono. Ao mostrar como o metabolismo microbiano é regulado pela ciclagem de nutrientes e disponibilidade de carbono no solo, pesquisadores demonstram como os estudos genômicos de comunidades microbianas podem ser ampliados até o nível dos ecossistemas, que contribuirá para uma compreensão mais profunda dos processos ecológicos e ajudará no desenvolvimento de melhores modelos globais de ciclagem de carbono.

A fim de compreender melhor a relação entre o ciclo do carbono, disponibilidade de nutrientes, e comunidades microbianas no solo, é necessário realizar estudos através de um gradiente de nutrientes. Os campos de arroz são sistemas modelo de pântanos que permitem que os pesquisadores se concentrem nas variáveis ​​biogeoquímicas escolhidas, enquanto fatores como água e vegetação são controlados. Adjacente às terras úmidas restauradas da Ilha Twitchell estão campos de arroz com teores de carbono no solo que podem variar entre 2,5 por cento e 25 por cento, cobrindo grande parte da gama global de carbono encontrada nos solos. As áreas úmidas são de interesse do Departamento de Energia dos EUA para entender os papéis das comunidades microbianas nos impactos de longo prazo nas emissões e no sequestro de carbono. Esses ecossistemas podem capturar até 30 por cento do carbono global do solo, mas contribuem com quase 40 por cento das emissões globais de metano, proporcionando uma oportunidade de entender seus papéis como sumidouros e fontes de carbono. Pesquisadores do Joint Genome Institute, um DOE Office of Science User Facility, estudaram os ecossistemas da Ilha Twitchell em Sacramento-San Joaquin Delta, onde o U.S. Geological Survey realizou um estudo piloto em áreas úmidas restauradas.

Uma combinação de sequenciamento metagenômico de amostras de solo, a caracterização biogeoquímica e as medições semanais das emissões de gases de efeito estufa levaram aos resultados da equipe, publicado no ISME Journal . Os resultados sugerem que as taxas metabólicas microbianas se alinham com a Teoria da Estequiometria Biológica, uma teoria metabólica da ecologia que sugere que organismos com taxas de crescimento mais rápidas requerem mais fósforo para aumentar a síntese de proteínas ricas em nitrogênio. Até agora, esta teoria não foi aplicada aos micróbios do solo in situ devido a limitações metodológicas, que os cientistas abordaram usando uma nova abordagem genômica.

Estudar as comunidades microbianas nestes solos, os pesquisadores descobriram que a taxa na qual os micróbios decompõem a matéria orgânica está associada à disponibilidade de carbono, nitrogênio e fósforo nos solos. Especificamente, a disponibilidade de fósforo é um fator chave na determinação das taxas de ciclagem de carbono do solo. Uma abundância de fósforo aumenta a atividade microbiana e as taxas metabólicas, o que, por sua vez, significa maior rotatividade de carbono. O fósforo mais baixo em solos com alto teor de carbono pode ajudar a estabilizar o carbono acumulado, enquanto os solos com alto teor de fósforo podem perder mais rapidamente os estoques de carbono. Essas associações na escala do ecossistema também se refletiram nos dados genômicos dos micróbios do solo que impulsionam o ciclo dos elementos do solo. Os dados da sequência do metagenoma do solo foram avaliados quanto ao potencial microbiano para metabolizar o carbono, nitrogênio e fósforo, enquanto o software de perfil funcional preditivo permitiu aos pesquisadores comparar as compensações nessas funções entre as linhagens microbianas. Esta abordagem revelou grupos de sequências genômicas que poderiam ser agrupadas em "guildas" com base em perfis genômicos de genes metabólicos, que os pesquisadores usaram para desenvolver novos modelos preditivos da composição da comunidade microbiana e do ciclo do carbono do solo. Este trabalho é um avanço importante para a compreensão da relação entre as comunidades microbianas e os nutrientes do solo e os efeitos dessas interações na atividade e saúde do ecossistema.