ISME Journal

A lack of empirical evidence for the microbial regulation of ecosystem processes, including carbon (C) degradation, hinders our ability to develop a framework to directly incorporate the genetic composition of microbial communities in the enzyme-driven Earth system models. Herein we evaluated the linkage between microbial functional genes and extracellular enzyme activity in soil samples collected across three geographical regions of Australia. We found a strong relationship between different functional genes and their corresponding enzyme activities. This relationship was maintained after considering microbial community structure, total C and soil pH using structural equation modelling. Results showed that the variations in the activity of enzymes involved in C degradation were predicted by the functional gene abundance of the soil microbial community (R2>0.90 in all cases). Our findings provide a strong framework for improved predictions on soil C dynamics that could be achieved by adopting a gene-centric approach incorporating the abundance of functional genes into process models.

There are numerous ways in which plants can influence the composition of soil communities. However, it remains unclear whether information on plant community attributes, including taxonomic, phylogenetic, or trait-based composition, can be used to predict the structure of soil communities. We tested, in both monocultures and field-grown mixed temperate grassland communities, whether plant attributes predict soil communities including taxonomic groups from across the tree of life (fungi, bacteria, protists, and metazoa). The composition of all soil community groups was affected by plant species identity, both in monocultures and in mixed communities. Moreover, plant community composition predicted additional variation in soil community composition beyond what could be predicted from soil abiotic characteristics. In addition, analysis of the field aboveground plant community composition and the composition of plant roots suggests that plant community attributes are better predictors of soil communities than root distributions. However, neither plant phylogeny nor plant traits were strong predictors of soil communities in either experiment. Our results demonstrate that grassland plant species form specific associations with soil community members and that information on plant species distributions can improve predictions of soil community composition. These results indicate that specific associations between plant species and complex soil communities are key determinants of biodiversity patterns in grassland soils.

Here we show how agricultural practices by indigenous peoples as well as forest recovery relate to the structure and composition of Amazon soil bacterial communities. Soil samples were collected in different land use systems and bacterial community composition and diversity were explored by T-RFLP, cloning and sequencing, and data were analyzed with multivariate techniques. The main differences in bacterial community structure were related to changes in the soil attributes that, in turn, were correlated to land use. Community structure changed significantly along gradients of base saturation, [Al3+] and pH. The relationship with soil attributes accounted for about 31% of the variation of the studied communities. Clear differences were observed in community composition as shown by the differential distribution of Proteobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Acidobacteria and Actinobacteria. Similarity between primary and secondary forest communities indicates the recovery of bacterial community structure during succession. Pasture and crop soil communities were among the most diverse, showing that these land use types did not deplete bacterial diversity under the conditions found in our sites.

Pseudanabaena species are poorly known filamentous bloom-forming cyanobacteria closely related to Limnothrix. We isolated 28 Pseudanabaena strains from the Baltic Sea (BS) and the Albufera de Valencia (AV; Spain). By combining phenotypic and genotypic approaches, the phylogeny, diversity and evolutionary diversification of these isolates were explored. Analysis of the in vivo absorption spectra of the Pseudanabaena strains revealed two coexisting pigmentation phenotypes: (i) phycocyanin-rich (PC-rich) strains and (ii) strains containing both PC and phycoerythrin (PE). Strains of the latter phenotype were all capable of complementary chromatic adaptation (CCA). About 65 kb of the Pseudanabaena genomes were sequenced through a multilocus sequencing approach including the sequencing of the16 and 23S rRNA genes, the ribosomal intergenic spacer (IGS), internal transcribed spacer 1 (ITS-1), the cpcBA operon encoding PC and the IGS between cpcA and cpcB. In addition, the presence of nifH, one of the structural genes of nitrogenase, was investigated. Sequence analysis of ITS and cpcBA-IGS allowed the differentiation between Pseudanabaena isolates exhibiting high levels of microdiversity. This multilocus sequencing approach revealed specific clusters for the BS, the AV and a mixed cluster with strains from both ecosystems. The latter comprised exclusively CCA phenotypes. The phylogenies of the 16 and 23S rRNA genes are consistent, but analysis of other loci indicated the loss of substructure, suggesting that the recombination between these loci has occurred. Our preliminary results on population genetic analyses of the PC genes suggest an evolutionary diversification of Pseudanabaena through purifying selection.

Nitrogen fixation, a prokaryotic, O2-inhibited process that reduces N2 gas to biomass, is of paramount importance in biogeochemical cycling of nitrogen. We analyzed the levels of nif transcripts of Synechococcus ecotypes, NifH subunit and nitrogenase activity over the diel cycle in the microbial mat of an alkaline hot spring in Yellowstone National Park. The results showed a rise in nif transcripts in the evening, with a subsequent decline over the course of the night. In contrast, immunological data demonstrated that the level of the NifH polypeptide remained stable during the night, and only declined when the mat became oxic in the morning. Nitrogenase activity was low throughout the night; however, it exhibited two peaks, a small one in the evening and a large one in the early morning, when light began to stimulate cyanobacterial photosynthetic activity, but O2 consumption by respiration still exceeded the rate of O2 evolution. Once the irradiance increased to the point at which the mat became oxic, the nitrogenase activity was strongly inhibited. Transcripts for proteins associated with energy-producing metabolisms in the cell also followed diel patterns, with fermentation-related transcripts accumulating at night, photosynthesis- and respiration-related transcripts accumulating during the day and late afternoon, respectively. These results are discussed with respect to the energetics and regulation of N2 fixation in hot spring mats and factors that can markedly influence the extent of N2 fixation over the diel cycle.

Multiple ectomycorrhizal fungi (EMF) compete to colonise the roots of a host plant, but it is not known whether their success is under plant or fungal control, or a combination of both. We assessed whether plants control EMF colonisation by preferentially allocating more carbon to more beneficial partners in terms of nitrogen supply or if other factors drive competitive success. We combined stable isotope labelling and RNA-sequencing approaches to characterise nutrient exchange between the plant host Eucalyptus grandis and three Pisolithus isolates when growing alone and when competing either indirectly (with a physical barrier) or directly. Overall, we found that nitrogen provision to the plant does not explain the amount of carbon that an isolate receives nor the number of roots that it colonises. Differences in nutrient exchange among isolates were related to differences in expression of key fungal and plant nitrogen and carbon transporter genes. When given a choice of partners, the plant was able to limit colonisation by the least cooperative isolate. This was not explained by a reduction in allocated carbon. Instead, our results suggest that partner choice in EMF could operate through the upregulation of defence-related genes against those fungi providing fewer nutrients.

Có sự hiểu biết chung về khả năng của các chất tiết từ rễ ảnh hưởng đến cấu trúc của cộng đồng vi sinh vật trong rễ. Tuy nhiên, kiến thức của chúng ta về mối liên hệ giữa sự phát triển của cây, sự tiết rễ và sự tập hợp vi sinh vật còn hạn chế. Ở đây, chúng tôi đã phân tích cấu trúc của cộng đồng vi khuẩn trong rễ liên quan đến Arabidopsis tại bốn thời điểm khác nhau tương ứng với các giai đoạn phát triển khác nhau của cây: cây con, sinh trưởng, ra hoa và ra trái. Tổng thể, không có sự khác biệt đáng kể trong cấu trúc cộng đồng vi khuẩn, nhưng chúng tôi quan sát thấy rằng cộng đồng vi sinh vật ở giai đoạn cây con khác biệt so với các thời điểm phát triển khác. Ở cấp độ chi tiết hơn, các ngành như Acidobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria và một số chi riêng biệt trong các ngành đó theo dõi các mô hình khác nhau liên quan đến sự phát triển của cây và sự tiết rễ. Những kết quả này gợi ý rằng cây có thể chọn một tập hợp con vi sinh vật ở các giai đoạn phát triển khác nhau, có lẽ cho các chức năng cụ thể. Tương ứng, phân tích metatranscriptomics của vi sinh vật trong rễ tiết lộ rằng có 81 bản sao duy nhất được biểu hiện khác biệt (P<0.05) tại các giai đoạn phát triển khác nhau của cây. Chẳng hạn, các gen liên quan đến tổng hợp streptomycin được kích thích đáng kể ở các giai đoạn ra hoa và ra trái, có thể nhằm mục đích kiểm soát bệnh tật. Chúng tôi suy đoán rằng cây tiết ra hỗn hợp các hợp chất và các hóa chất thực vật cụ thể trong các chất tiết từ rễ mà được sản xuất một cách khác nhau ở các giai đoạn phát triển khác nhau nhằm giúp tổ chức sự tập hợp của vi sinh vật trong rễ.

Sự thay đổi không gian trong thành phần của các cộng đồng sinh học được điều khiển bởi (sinh thái học) Trôi dạt, Lựa chọn và Phân tán. Các công cụ thống kê được áp dụng phổ biến không thể ước lượng định lượng các quá trình này, cũng như không xác định được các yếu tố vô sinh áp đặt lên các quá trình này. Để kiểm tra các cộng đồng vi sinh vật dưới mặt đất phân bố ở hai cấu trúc địa chất khác nhau của tầng nước ngầm không kín dưới địa điểm Hanford ở phía đông nam bang Washington, chúng tôi đã phát triển một khung phân tích nhằm nâng cao hiểu biết sinh thái theo hai cách chính. Đầu tiên, chúng tôi định lượng ước lượng ảnh hưởng của Trôi dạt, Lựa chọn và Phân tán. Thứ hai, các mô hình sinh thái được sử dụng để xác định các biến vô sinh đã đo đạc và chưa đo đạc áp đặt Lựa chọn hoặc dẫn đến mức độ Phân tán thấp. Chúng tôi nhận thấy rằng (i) Trôi dạt một mình liên tục chiếm khoảng 25% sự thay đổi không gian trong thành phần cộng đồng; (ii) ở trầm tích sâu hơn, có kích thước hạt mịn hơn, Lựa chọn là mạnh (chiếm khoảng 60% sự thay đổi), được áp đặt bởi một biến môi trường chưa được đo lường nhưng có cấu trúc không gian; (iii) ở trầm tích nông hơn, có kích thước hạt thô hơn, Lựa chọn yếu hơn (chiếm khoảng 30% sự thay đổi), được áp đặt bởi các yếu tố thủy văn có cấu trúc theo chiều dọc và chiều ngang; (iv) mức độ Phân tán thấp có thể chiếm gần 30% sự thay đổi và chủ yếu do sự cô lập không gian gây ra bởi việc trao đổi hạn chế giữa các trầm tích hạt mịn và hạt thô; và (v) các trầm tích rất thấm có liên quan đến mức độ Phân tán cao dẫn đến sự đồng nhất trong thành phần cộng đồng và chiếm hơn 20% sự thay đổi. Chúng tôi cũng cho thấy rằng khung phân tích của chúng tôi cung cấp những suy luận không thể đạt được bằng các phương pháp đã có, và gợi ý rằng việc áp dụng rộng rãi sẽ giúp thúc đẩy sự hiểu biết thống nhất về các cộng đồng vi sinh vật.

Khám phá các tập dữ liệu môi trường lớn được tạo ra bởi các công nghệ giải trình tự DNA nhanh đòi hỏi những phương pháp phân tích mới để vượt ra ngoài các mô tả cơ bản về thành phần và đa dạng của các cộng đồng vi sinh vật tự nhiên. Để điều tra các tương tác tiềm năng giữa các taxa vi sinh vật, phân tích mạng của các mẫu đồng tồn tại của taxa có ý nghĩa có thể giúp làm sáng tỏ cấu trúc của các cộng đồng vi sinh vật phức tạp qua các gradient không gian hoặc thời gian. Ở đây, chúng tôi đã tính toán các mối liên kết giữa các taxa vi sinh vật và áp dụng các phương pháp phân tích mạng cho một tập dữ liệu giải trình tự pyrosequencing theo mã vạch gene 16S rRNA chứa hơn 160,000 chuỗi vi khuẩn và archae từ 151 mẫu đất thuộc một loạt các loại hệ sinh thái. Chúng tôi đã mô tả hình thái của mạng lưới kết quả và định nghĩa các loại đơn vị phân loại hoạt động dựa trên sự phong phú và sự chiếm đóng (tức là, những chuyên gia chung về môi trường và những chuyên gia đặc thù về môi trường). Các mẫu đồng tồn tại đã được tiết lộ dễ dàng, bao gồm sự liên kết không ngẫu nhiên tổng quát, các chiến lược lịch sử sống phổ biến ở các cấp thuế học rộng và các mối quan hệ bất ngờ giữa các thành viên của cộng đồng. Tổng thể, chúng tôi đã chứng minh tiềm năng của việc khám phá các tương quan giữa các taxa để có được một hiểu biết toàn diện hơn về cấu trúc của cộng đồng vi sinh vật và các quy tắc sinh thái hướng dẫn sự hình thành cộng đồng.