Как цианобактерии расширяют почвенные корки в суровых пустынях

Новое исследование, опубликованное в The Innovation, раскрыло микроструктуру и механизм расширения биологических почвенных корок (БПК), доминируемых цианобактериями. Используя микро-рентгеновскую компьютерную томографию (X-ray microCT), группа исследователей под руководством проф. Чжан Юаньмина из Синьцзянского института экологии и географии Китайской академии наук визуализировала внутренние структурные реакции цианобактериальных БПК с беспрецедентной детализацией.

Биологические почвенные корки играют ключевую роль в засушливых регионах, стабилизируя почву, участвуя в круговороте питательных веществ и регулируя водный режим. Цианобактерии — основа этих корок: их трихомы и выделяемые внеклеточные полимерные вещества (EPS) связывают почвенные частицы. Способность цианобактерий перемещаться внутри почвенных слоев тесно связана с формированием и расширением корки.

Исследователи обнаружили, что типичный для БПК вид цианобактерий Microcoleus vaginatus строит в корке микроскопические туннелеподобные структуры из выделяемого EPS. Эти EPS-туннели соединяют трихомы M. vaginatus, расположенные примерно на 300 мкм ниже поверхности, с поверхностью корки. При увлажнении Microcoleus vaginatus начинает мигрировать к поверхности в течение минут, перемещаясь в виде пучков трихом внутри этих EPS-туннелей. Это позволяет цианобактериям закреплять почвенные частицы и выживать в аридных условиях.

Однако также было установлено, что при кратковременном увлажении существующего EPS на поверхности БПК недостаточно для прочного закрепления вновь осаждённых почвенных частиц. Вероятно, это связано с ограниченной площадью контакта между EPS и частицами, что приводит к слабой адгезии. После длительного периода увлажнения подвижные трихомы распространяются по всему почвенному слою, связывая частицы не только за счёт спутывания, но и с помощью вновь выделяемого EPS.

Таким образом, расширение БПК, доминируемых цианобактериями, зависит от длительных периодов увлажнения, таких как недельное таяние снега или периодические часовые дожди. По сравнению с лишайниками и мхами, цианобактерии обеспечивают гораздо более быстрое развитие корки.

«Включение длительных периодов увлажнения в подходы к экологическому восстановлению на основе цианобактериальных корок может значительно ускорить развитие корки и стабилизацию почвы», — заявил Ли Тун, первый автор исследования.

Эта работа проливает свет на то, как доминируемые цианобактериями БПК выживают в суровых пустынных условиях, и подчёркивает ключевую роль цианобактерий в расширении биологических почвенных корок.