Wissenschaftler kartieren Boden-RNA mit Pilzgenomen, um Waldökosysteme zu verstehen

Wenn im Wald ein Baum umfällt – egal, ob jemand das Geräusch registriert oder nicht –, ist eines sicher: Es gibt jede Menge Pilze in der Umgebung. Im Boden eines Waldes zersetzen Hunderte von Arten Abfälle, mobilisieren Nährstoffe aus diesem Zerfall und liefern diese Nährstoffe an die Baumwurzeln und den Boden. Diese Pilze prägen die Ökologie eines Waldes. Sie speichern Kohlenstoff und zirkulieren wichtige Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor.

Auf diese Weise sind die Pilze der Waldböden der Schlüssel zur Gesundheit der Bäume und zur Kohlenstoffspeicherung – Fähigkeiten, die mit zunehmender Klimaerwärmung immer wichtiger werden. Es handelt sich jedoch um komplizierte Wechselwirkungen, die es zu entwirren gilt. Pilze arbeiten zusammen, um einen Wald zu erhalten, und die Arten variieren in den Ökosystemen der Erde.

Kürzlich in Arbeit veröffentlicht In Neuer PhytologeForscher haben neue Erkenntnisse darüber gewonnen, welche Pilze auf dem Waldboden bestimmte Funktionen übernehmen. Zum ersten Mal verglichen sie drei verschiedene Pilzgilden an verschiedenen Standorten. Sie beprobten Böden in vier Waldökosystemen, extrahierten RNA, um die Genexpression zu verstehen, und entwickelten neue Werkzeuge, um diese Boden-RNA den Pilzgenomen zuzuordnen.

Das Joint Genome Institute (JGI) des US-Energieministeriums (DOE), eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), sequenzierte für dieses Projekt 1 Billion Basen – eine Terabase – von Boden-RNA und produzierte die Referenzgenome, die die Kartierung dieser RNA-Reads ermöglichten. „Derzeit ist dies das bisher größte JGI-sequenzierte Pilzmetatranskriptom“, sagte Igor Grigoriev, Programmleiter für Pilzgenomik am JGI.

Neben einem verbesserten Verständnis mehrerer Waldsysteme richtet diese Arbeit Protokolle und Pipelines ein, die andere Teams auf der ganzen Welt nutzen können.

Diese Tools bieten Forschern die Möglichkeit, auf viel mehr Informationen über Pilze in diesen Umgebungen zuzugreifen. „Mit diesen neuen Werkzeugen – Metatranskriptomik, RNA-Sequenzierung von Boden-RNA – können wir jetzt darauf zugreifen: „Was machen sie?“ Wie interagieren sie?‘“, sagte der leitende Autor Francis Martin, ein emeritierter Forschungsdirektor am National Research Institute for Agriculture, Food and Environment (INRAE).

Bemerkenswerte Ähnlichkeit trotz großer Vielfalt

Für diese Studie sammelten die Forscher Bodenproben an vier Standorten: Aspurz, Spanien; Champenoux, Frankreich; Lamborn, Schweden; Montmorency, Kanada. Diese Standorte repräsentieren jeweils mediterrane, gemäßigte und boreale Wälder.

In den Bodenproben dieser vielfältigen Biome kommen viele verschiedene Pilze vor; Die Wälder teilen nur etwa 20 % ihrer Pilzarten. Um nützliche Vergleiche anstellen zu können, mussten die Forscher außerhalb der Taxonomie arbeiten. „Und wir haben herausgefunden, dass wir uns auf den Vergleich der Expressionsniveaus zwischen trophischen Gilden von Pilzen konzentrieren mussten“, sagte Lucas Auer, Forschungsingenieur am INRAE ​​und einer der ersten Autoren dieser Arbeit.

Um diese trophischen Gilden zu vergleichen, konzentrierte sich dieses Team auf drei Hauptgruppen von Pilzen, die in allen von ihnen beprobten Wäldern auftraten. Diese Gilden sind in Wäldern auf der ganzen Welt sowie auf Wiesen und Weiden verbreitet: Saprotrophe zerlegen Trümmer und tote Organismen, um ihre Nährstoffe freizusetzen; Mykorrhiza-Symbionten transportieren Wasser und Nährstoffe zu Bäumen; Pflanzenpathogene besiedeln lebende Pflanzen, um sich von ihnen zu ernähren.

Über alle Waldtypen hinweg durchkämmten Martin und sein Team Bodenproben, um herauszufinden, welche Gene diese drei Pilzgilden zum Wachstum und zur Verstoffwechselung von Nährstoffen verwendeten. Sie sequenzierten die gesamte in Bodenproben gefundene RNA und fügten diese RNA-Transkripte zu einem Metatranskriptom zusammen.

Insgesamt stellten sie fest, dass jede Gilde trotz der großen Artenvielfalt in verschiedenen Wäldern bemerkenswert ähnliche Funktionen ausübte. Der Primärstoffwechsel, die Zellaktivität und die Pilzentwicklung sahen für jede Gilde von Saprotrophen, Mykorrhiza-Symbionten und Krankheitserregern ziemlich gleich aus, unabhängig davon, ob eine Probe aus dem Boden unter einer Kiefer oder einer Eiche in Schweden oder Quebec stammte.

Aus ökologischer Sicht ist diese Redundanz laut Martin schützend, vergleichbar mit der Diversifizierung eines Anlageportfolios. Wenn ein Stress wie ein Waldbrand oder eine Dürre einige Pilzarten bedroht, übernehmen andere Pilze die benötigten Funktionen.

Diese Arbeit zeigt auch neue Überschneidungen zwischen den Funktionen verschiedener Pilzgilden. Saprotrophe und Mykorrhiza-Symbionten wurden in der Vergangenheit in separate ökologische Nischen unterteilt – Recycler bzw. Transporter. Martins Team fand jedoch heraus, dass beide Gilden ähnliche Gene für den Abbau von Pilzzellwänden, der sogenannten Pilznekromasse, exprimieren, was darauf hindeutet, dass diese Gilden gemeinsam für die Wiederverwertung abgestorbenen Pilzmaterials verantwortlich sind.

Die Referenzgenome, die den Weg ebneten

Dieses Projekt geht auf einen Vorschlag für ein Community Science Program zurück, den Martin 2012 eingereicht hatte. Damals hatte das Feld viele verschiedene Bodengemeinschaften auf taxonomische Vielfalt untersucht. Diese Studien konnten Populationen genau bestimmen, aber sie sagten wenig darüber aus, welche Arten was taten.

Um zu verstehen, wie Pilzgemeinschaften ihre Aufgaben teilten, entschieden sich Martin und sein Team für ein RNA-Profil, um einen Einblick in die Genexpression von Pilzen zu erhalten. Sie würden vorhandene Pilzgenome benötigen, um die Genexpression auf Funktionen und Pilzarten abzubilden. Laut Martin war die Kartierung von RNA-Sequenzen auf diese Weise zunächst eine Herausforderung. „Als wir vor zwölf Jahren die erste sequenzierte RNA aus dem Boden kartierten, waren am JGI nur 10 % davon auf die Pilzgenome kartiert“, sagte Martin.

Eine Initiative namens „1000 Fungal Genomes Project“ hat das geändert. Hierbei handelt es sich um ein mehrjähriges Projekt in Zusammenarbeit mit dem JGI zur Sequenzierung von 1.000 Referenzgenomen aus dem gesamten Lebensbaum der Pilze. Martin ist einer der Projektleiter. Nachdem er mit etwa 200 Pilzgenomen begonnen hatte, habe das 1000 Fungal Genomes-Projekt zusammen mit anderen CSP-Projekten in nur wenigen Jahren über 2.000 Pilzgenome sequenziert, sagte er.

Das JGI hat diese Genome in Zusammenarbeit mit Dutzenden Partnern sequenziert, zusammengestellt und annotiert. „Dies war eine enorme Gemeinschaftsleistung mit über 100 Forschern, die Arten für die Sequenzierung nominierten und dann DNA- und RNA-Proben an JGI schickten“, sagte Grigoriev. Alle diese Genome sind bei MycoCosm verfügbar.

War die Aufgabe, Pilz-RNA-Sequenzen zunächst zuzuordnen, ein etwas holpriger und kurvenreicher Weg, eröffnete dieser neue Zustrom von Genomen eine Schnellstraße für denselben Weg. „Es war wirklich erstaunlich, wie sich die Qualität der Daten dank dieser riesigen Menge neuer Genome verbesserte“, sagte Martin.

Das Projekt „1000 Pilzgenome“ wird vorangetrieben, um weitere Studien wie diese zu ermöglichen. Martin sagt, dass noch mehr Genome zu noch mehr Verständnis führen werden, wenn andere Forscher RNA aus Bodengemeinschaften in ganz Südamerika, China, Europa und den Vereinigten Staaten analysieren.

„Ich denke, wir werden in den nächsten Jahren eine Art Weltkarte der Pilzvielfalt haben, aber uns fehlen noch die Funktionen“, sagte Martin. „Dank des Programms, das wir mit dem JGI entwickelt haben, verfügen wir über die Werkzeuge, um wirklich Informationen über die Funktionen dieser Pilzgemeinschaft zu erhalten, von den Polen bis zu den Tropen.“