Die Verknüpfung der Identität von Wildmikroben mit ihren physiologischen Merkmalen und Umweltfunktionen ist ein zentrales Ziel für Umweltmikrobiologen. Von den Techniken, die dieses Ziel anstreben, gilt das Stable Isotope Probing – SIP – als das effektivste für die Untersuchung aktiver Mikroorganismen in natürlichen Umgebungen.
Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben eine neue Technik – Hochdurchsatz-SIP – entwickelt, die mehrere Schritte im Prozess der Untersuchung stabiler Isotope automatisiert und die Untersuchung der mikrobiellen Aktivität von Mikroorganismen unter realistischen Bedingungen ermöglicht, ohne dass eine Laborkultivierung erforderlich ist.
In SIP werden aktive Mikroben über den Einbau stabiler Isotope in ihre Biomasse identifiziert. Es gehört zu den leistungsstärksten Methoden in der mikrobiellen Ökologie, da es aktive Mikroben und ihre physiologischen Merkmale (Substratnutzung, zelluläre Biochemie, Stoffwechsel, Wachstum, Mortalität) in komplexen Lebensgemeinschaften unter natürlichen Bedingungen identifizieren kann.
Typischerweise erfordert das SIP-Verfahren erhebliche praktische Arbeit und ermöglicht nur eine kleine Anzahl von Proben. Aber die neue LLNL-Technik erfordert ein Sechstel der manuellen Arbeit im Vergleich zum manuellen SIP und ermöglicht die gleichzeitige Verarbeitung von 16 Proben.
„Unser halbautomatischer Ansatz verkürzt die Bedienerzeit und verbessert die Reproduzierbarkeit, indem er auf die arbeitsintensivsten Schritte von SIP abzielt“, sagte LLNL-Wissenschaftlerin Erin Nuccio und Hauptautorin eines in der Zeitschrift erscheinenden Artikels Mikrobiom. „Wir haben diesen Ansatz jetzt verwendet, um über tausend Proben zu verarbeiten, darunter einige aus sehr wenig erforschten Mikrolebensräumen im Boden.“
Ein solcher Mikrohabitat ist der Boden, der das Gewebe der Mykorrhizae unmittelbar umgibt – eine Pilzart, die mit 72 % aller Landpflanzen symbiotische Beziehungen eingeht. Im Austausch gegen pflanzlichen Kohlenstoff versorgt der Pilz (arbuskuläre Mykorrhizapilze) seine Wirte mit lebenswichtigen Ressourcen wie Stickstoff, Phosphor und Wasser.
In dieser Proof-of-Concept-Studie zeigten die Autoren das „Nahrungsnetz“ von Wechselwirkungen, die durch Mykorrhiza-Pilze im Boden stimuliert werden.
„Wir denken, dass dies ein wichtiger Weg ist, wie Pflanzenkohlenstoff breit im Boden verteilt wird. Der Boden enthält den größten Pool an aktiv zirkulierendem organischem Kohlenstoff auf dem Planeten“, sagte die Co-Autorin Jennifer Pett-Ridge, die LLNL-Projektleiterin und Leiter des Wissenschaftsbüros „Microbes Persist“ des Department of Energy. „Wir haben eine winzige Menge DNA sequenziert, die aktiven Organismen bestimmt und dann ihre Genome und mögliche Wechselwirkungen rekonstruiert.“
Andere LLNL-Autoren sind Steven Blazewicz, Marissa Lafler, Ashley Campbell, Jeffrey Kimbrel, Jessica Wollard, Rachel Hestrin sowie Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory, des DOE Joint Genome Institute und der University of California, Berkeley.
Mehr Informationen:
Erin E. Nuccio et al, HT-SIP: eine halbautomatische Pipeline zur Sondierung stabiler Isotope identifiziert reichsübergreifende Wechselwirkungen in der Hyphosphäre arbuskulärer Mykorrhizapilze, Mikrobiom (2022). DOI: 10.1186/s40168-022-01391-z