박테리아는 어려운 환경에서도 함께 일해 번성합니다.

생태학의 창시 개념은 물리적 환경이 유기체의 생존 가능성을 결정한다고 제안하지만, 현대 과학자들은 토양에서 미생물 군집이 형성되는 방식에는 그 이상의 의미가 있다고 의심해 왔습니다.

최근 연구에 따르면, 연구자들은 통계 분석과 실험을 통해 토양 pH가 미생물 군집 구성에 영향을 미치는 요인이지만, 질소 순환 중에 방출되는 독성을 해결해야 최종 미생물 군집이 형성된다는 사실을 밝혀냈습니다.

"물리적 환경은 미생물 상호작용의 본질에 영향을 미치고, 그것은 공동체의 조립에 영향을 미칩니다." 오하이오 주립 대학의 미생물학 조교수이자 공동 저자인 카르나 고다의 말입니다. "이 분야의 사람들은 이 두 가지가 어느 정도 중요해야 한다는 것을 이해했지만, 그에 대한 증거는 많지 않았습니다. 우리는 이 아이디어에 몇 가지 특이성과 메커니즘을 추가하고 있습니다."

이 연구는 지구 질소 순환의 미생물학적 기초를 명확히 하는 데 도움이 되며, 강력한 온실 가스인 아산화질소의 배출에 대한 새로운 사고방식을 제공할 수도 있다고 고다 박사는 말했습니다.

해당 연구는 최근 Nature Microbiology 에 게재되었습니다.

미생물은 영양소를 재활용하여 토양을 건강하고 생산적으로 유지하며, 질소를 식물이 사용할 수 있는 형태로 전환하는 데 특히 중요합니다. 같은 환경에 사는 지하 생물도 매우 상호 연결되어 있어 서로를 잡아먹고, 화학 물질 교환에 참여하고, 지역 사회에 이익을 제공합니다.

이 연구에서 Gowda와 동료 연구진은 전 세계의 표토 샘플에서 얻은 데이터 세트를 사용하여 샘플에 존재하는 미생물의 유전체를 시퀀싱하고 질소와 탄소 함량, 토양의 산성도를 측정하는 pH와 같은 토양의 중요한 특성을 분석했습니다.

"우리는 지구 전역에서 매우 다양한 환경에서 나타날 수 있는 널리 퍼진 추세를 살펴보고 싶었습니다."라고 Gowda는 말했습니다.

토양 샘플에 수십억 개의 박테리아가 존재함에 따라 연구진은 미생물 군집의 유전적 구성을 바탕으로 그 기능적 역할을 파악했습니다.

연구팀은 질소 화합물을 생물학적으로 이용 가능한 형태에서 아산화질소와 대기 중에 방출되는 이질소 가스로 전환하는 탈질소화에 관여하는 박테리아를 식별하는 유전자에 집중했습니다. 생물정보학 분석 결과 토양 pH가 이러한 유기체의 풍부함과 관련된 가장 중요한 환경 요인이었습니다.

연구자들은 통계적 결과를 시험하기 위해 실험실에서 풍부한 미생물 군집을 조사하고 다양한 성장 조건에서 자연 미생물 군집을 조사하는 실험을 수행했습니다.

탈질소화 동안 특정 효소는 질산염을 다양한 질소 함유 화합물로 전환하는 데 역할을 합니다. 이러한 형태 중 하나인 아질산염은 중성 조건(pH가 높음)보다 산성 토양(pH가 낮음)에서 더 독성이 강합니다.

실험 결과, 독성 아질산염을 생성하는 Nar라는 효소를 가진 균주와 아질산염을 소비하는 Nap라는 효소를 가진 균주는 토양의 산성도에 따라 차이가 있다는 것이 밝혀졌습니다.

"우리는 낮은 pH에서 Nar가 더 많고 Nap가 적다는 것을 발견했고, 토양 pH가 중성으로 이동함에 따라 그 반대도 마찬가지였습니다."라고 Gowda는 말했습니다. "그래서 우리는 산성과 중성 pH에서 두 가지 다른 유형의 유기체가 널리 퍼져 있는 것을 보았지만, 그것이 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 설명하지 못한다는 것을 발견했습니다. 누가 거기에 있는지 결정하는 것은 환경만이 아닙니다. 실제로는 환경과 커뮤니티에서 더 많은 유기체 간의 상호 작용입니다.

"이것은 pH가 커뮤니티 내 유기체 간 상호작용에 다소 일관된 방식으로 영향을 미친다는 것을 의미합니다. 항상 아질산염의 독성에 관한 것입니다. 그리고 이것은 다양한 박테리아가 어떻게 함께 작용하여 다양한 토양 pH 수준에서 번성하는지를 강조합니다."

Gowda는 그 발견이 새롭고 중요하다고 말했습니다. 박테리아와 다른 미생물은 생존 의지에 의해 움직이는 것으로 알려져 있지만, 그들은 또한 안전을 유지하기 위해 서로에게 의존합니다. 그리고 그 협력은 환경 건강에 영향을 미친다고 연구는 시사합니다.

"개별적인 피트니스 효과가 많은 맥락에서 패턴을 정의하는 데 분명히 역할을 하는 반면, 상호작용은 다양한 다른 맥락에서 패턴을 설명하는 데 필수적일 가능성이 높습니다."라고 저자는 썼습니다.

Gowda는 상호작용과 환경이 아산화질소 배출에 어떤 영향을 미치는지 이해하면 이 강력한 온실 가스를 줄이는 데 새로운 통찰력을 제공할 수 있다고 말했습니다. 탈질 박테리아는 농업 토양에서 아산화질소의 주요 공급원이자 흡수원입니다. 과거 연구는 다양한 pH 조건에서 이러한 아산화질소를 배출하는 유기체의 행동에 초점을 맞추었지만, 생태적 상호작용을 고려하면 배출을 줄이는 새로운 전략을 제공할 수 있습니다.

본 연구는 미국 국립과학재단, 시카고 대학, 미국 국립일반의학연구소, 제임스 S. 맥도넬 재단 박사후 펠로우십 상, 패니 앤 존 허츠 펠로우십 상의 지원을 받았습니다.

공동 저자로는 시카고 대학의 Seppe Kuehn, Kyle Crocker, Kiseok Keith Lee, Milena Chakraverti-Wuerthwein 및 Zeqian Li, 세인트루이스 워싱턴 대학의 Mikhail Tikhonov, 노스웨스턴 대학의 Madhav Mani가 포함됩니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240913105250.htm