Ученые картировали почвенную РНК на геномы грибов, чтобы понять лесные экосистемы
Грибы в лесной почве играют ключевую роль: они разлагают органику, мобилизуют и доставляют питательные вещества к корням деревьев, хранят углерод и регулируют циклы азота и фосфора. Эти сложные взаимодействия трудно изучить, так как виды грибов сильно различаются в разных экосистемах.
В новом исследовании, опубликованном в New Phytologist, ученые впервые сравнили функциональную активность трех основных гильдий грибов в разных типах лесов. Они взяли образцы почвы из четырех лесных экосистем:
- Аспурс, Испания (средиземноморский лес)
- Шампену, Франция (умеренный лес)
- Ламборн, Швеция (бореальный лес)
- Монморанси, Канада (бореальный лес)
Хотя эти леса имеют лишь около 20% общих видов грибов, исследователи сосредоточились не на таксономии, а на сравнении трофических гильдий:
- Сапротрофы — разлагают мертвую органику.
- Микоризные симбионты — транспортируют воду и питательные вещества к деревьям.
- Патогены растений — питаются живыми растениями.
Методология: Ученые выделили всю РНК из почвенных образцов, создав метатранскриптом. Совместный институт генома Министерства энергетики США (JGI) отсеквенировал для проекта 1 триллион оснований (терабаза) почвенной РНК и предоставил референсные геномы для картирования. "На данный момент это самый крупный из секвенированных JGI грибных метатранскриптомов", — отметил Игорь Григорьев, руководитель программы по грибной геномике в JGI.
Ключевые результаты
- Функциональное сходство: Несмотря на огромное видовое разнообразие, каждая гильдия выполняла поразительно схожие функции в разных лесах. Основной метаболизм, клеточная активность и развитие грибов внутри каждой гильдии были похожи, независимо от местоположения и типа леса.
- Экологическая избыточность: Это сходство функций, по мнению старшего автора Франсиса Мартена, обеспечивает устойчивость экосистемы — подобно диверсификации инвестиционного портфеля. Если стресс (пожар, засуха) уничтожит одни виды, их функции возьмут на себя другие.
- Перекрытие функций гильдий: Обнаружено, что сапротрофы и микоризные симбионты экспрессируют сходные гены для разложения грибных клеточных стенок (некромассы). Это указывает, что обе гильдии разделяют ответственность за переработку мертвого грибного материала, стирая четкую границу между их историческими нишами (утилизаторы и транспортировщики).
Референсные геномы как основа успеха
Исследование стало возможным благодаря проекту «1000 грибных геномов», который Мартен инициировал в JGI в 2012 году. Тогда при картировании почвенной РНК на известные геномы успешно отображалось лишь 10% последовательностей.
Проект по секвенированию референсных геномов со всего филогенетического древа грибов кардинально изменил ситуацию. "Это был грандиозный совместный труд, в котором участвовало более 100 исследователей", — сказал Григорьев. Все геномы доступны в базе данных MycoCosm.
Благодаря этому "массивному притоку новых геномов" (сейчас их более 2000) качество и объем анализируемых данных резко возросли. "Было действительно удивительно, как улучшилось качество данных благодаря этому", — отметил Мартен.
Значение и перспективы
Эта работа не только углубляет понимание роли грибов в лесах, но и создает протоколы и аналитические конвейеры для использования научными группами по всему миру.
"Теперь с помощью этих новых инструментов — метатранскриптомики, секвенирования почвенной РНК — мы можем получить ответ на вопросы: «Что они делают? Как они взаимодействуют?»", — сказал Франсис Мартен.
В ближайшие годы ученые ожидают создания глобальной карты грибного разнообразия. "Но нам все еще не хватает данных о функциях. Благодаря программе, которую мы разработали с JGI, у нас есть инструменты, чтобы получить информацию о функциях этих грибных сообществ — от полюсов до тропиков", — заключил Мартен.