Seca

Nature Microbiology volume 8, páginas 1480–1494 (2023)Cite este artigo

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Os impactos da seca na atividade microbiana podem alterar o destino do carbono no solo e levar à perda de carbono armazenado para a atmosfera como CO2 e compostos orgânicos voláteis (COV). Aqui examinamos os impactos da seca na alocação de carbono por micróbios do solo na floresta tropical artificial da Biosfera 2, rastreando 13C do 13C-piruvato específico da posição em CO2 e VOCs em paralelo com multi-ômicas. Durante a seca, o efluxo de acetato enriquecido com 13C, acetona e C4H6O2 (diacetil) aumentou. Estas alterações representam um aumento na produção e acumulação de metabolitos intermédios impulsionados pela diminuição da eficiência da ciclagem do carbono. Simultaneamente, o efluxo de 13C-CO2 diminuiu, impulsionado por uma diminuição na atividade microbiana. No entanto, a alocação de carbono microbiano para o ganho de energia em relação à biossíntese permaneceu inalterada, significando a manutenção da demanda energética para a biossíntese de COVs e outras vias induzidas pelo estresse hídrico. No geral, embora a perda de carbono para a atmosfera através do CO2 tenha diminuído durante a seca, a perda de carbono através do efluxo de COV aumentou, indicando mudanças induzidas microbianamente no destino do carbono no solo.

Os microrganismos regulam o ciclo do carbono (C) terrestre de maneiras fundamentais1, incluindo a transformação do C do solo em compostos gasosos que podem escapar para a atmosfera, principalmente como CO2 através da respiração heterotrófica microbiana. No entanto, os micróbios também produzem compostos orgânicos voláteis (COV) como intermediários metabólicos, moléculas sinalizadoras e metabólitos secundários2,3. De facto, os metabolitos voláteis representam um subconjunto muitas vezes negligenciado do metaboloma completo do solo4,5, e embora as suas emissões para a atmosfera representem apenas uma pequena perda de C no solo, contribuem substancialmente para a química atmosférica, incluindo a formação de ozono e núcleos de condensação de nuvens6. Portanto, caracterizar o fluxo de C mediado por micróbios ao longo do continuum solo-atmosfera é fundamental para a compreensão do destino do C do solo e dos COVs sob mudanças ambientais projetadas, incluindo a seca.

O estresse hídrico induz respostas fisiológicas microbianas bem caracterizadas que impactam o metabolismo do C, como a biossíntese de moléculas protetoras (por exemplo, osmólitos e substâncias poliméricas extracelulares) para preservar a integridade celular7,8 e concentrar recursos9,10. A produção dessas biomoléculas consome muita energia e pode desviar recursos da síntese de biomassa9, levando à diminuição da respiração heterotrófica que alimenta o crescimento e das emissões de CO211,12. A seca também induz mudanças na composição e disponibilidade de C do solo13,14,15, impactando ainda mais a atividade microbiana16,17, por exemplo, induzindo mudanças na utilização do substrato18. No geral, ainda não está claro como as mudanças induzidas pela seca no metabolismo microbiano e na composição de C do solo influenciam a alocação de C para metabólitos voláteis, o que pode mitigar o estresse hídrico nas plantas . Além disso, o teor de água do solo tem um forte impacto nas emissões de COV dos solos20, incluindo solos tropicais21,22, talvez impulsionado pelos impactos da seca na biossíntese e/ou consumo microbiano de COV. Caracterizar mudanças na ciclagem e alocação microbiana de C é particularmente importante em solos de florestas tropicais, onde as secas provavelmente ocorrerão com mais frequência e durarão mais tempo devido às mudanças climáticas23,24.

Detectar mudanças no ciclo microbiano de C e na alocação dentro de redes metabólicas complexas que abrangem vias concorrentes de produção e consumo é um desafio. Esta complexidade pode ser navegada rastreando o fluxo de C mediado por micróbios através dos solos usando metabólitos centrais marcados isotopicamente. A marcação com 13C-glicose e / ou 13C-piruvato específica da posição tem sido usada para rastrear a alocação microbiana de C para CO2 e biomassa em mesocosmos do solo . No entanto, faltam estudos sobre a seca no terreno e a atribuição aos COV28. A informação metabólica direta derivada da marcação de isótopos pode ser contextualizada usando restrições poderosas e ricas em informações fornecidas por abordagens 'ômicas que traçam o perfil do conteúdo gênico, da expressão gênica e dos metabolomas dos microbiomas do solo . Juntas, essas abordagens podem descobrir fatores metabólicos de mudança no ciclo microbiano de C e na alocação em solos sob seca.