Étudier les communautés microbiennes dans les rizières du delta de San Joaquin, les chercheurs ont lié le métabolisme microbien et la disponibilité des nutriments aux taux de cycle du carbone du sol.

Établir les interrelations entre le métabolisme microbien, la disponibilité des nutriments et les taux de cycle du carbone dans le sol sont essentiels pour appliquer les informations génomiques afin de comprendre le cycle mondial du carbone. En montrant comment le métabolisme microbien est régulé par le cycle couplé des nutriments et la disponibilité du carbone du sol, les chercheurs démontrent comment les études génomiques des communautés microbiennes peuvent être étendues au niveau des écosystèmes, ce qui contribuera à une meilleure compréhension des processus écologiques et aidera au développement de meilleurs modèles mondiaux de cycle du carbone.

Afin de mieux comprendre la relation entre le cycle du carbone, disponibilité des nutriments, et les communautés microbiennes dans le sol, il est nécessaire de mener des études sur un gradient de nutriments. Les rizières sont des systèmes de zones humides modèles qui permettent aux chercheurs de se concentrer sur des variables biogéochimiques choisies, tandis que des facteurs tels que l'eau et la végétation sont contrôlés. À côté des zones humides restaurées de l'île Twitchell se trouvent des rizières dont la teneur en carbone du sol peut varier entre 2,5 % et 25 %, couvrant une grande partie de la gamme mondiale de carbone trouvé dans les sols. Les zones humides intéressent le département américain de l'Énergie pour comprendre les rôles des communautés microbiennes dans les impacts à long terme sur les émissions de carbone et la séquestration du carbone. Ces écosystèmes peuvent piéger jusqu'à 30 pour cent du carbone du sol mondial, mais contribuent à près de 40 pour cent des émissions mondiales de méthane, offrant une opportunité de comprendre leurs rôles à la fois en tant que puits de carbone et sources de carbone. Des chercheurs du Joint Genome Institute, une installation utilisateur du DOE Office of Science, étudié les écosystèmes de l'île Twitchell dans le delta Sacramento-San Joaquin, où le US Geological Survey a mené une étude pilote sur les zones humides restaurées.

Une combinaison de séquençage métagénomique d'échantillons de sol, la caractérisation biogéochimique et les mesures hebdomadaires des émissions de gaz à effet de serre ont conduit aux résultats de l'équipe, publié dans le Revue ISME . Les résultats suggèrent que les taux métaboliques microbiens s'alignent sur la théorie de la stœchiométrie biologique, une théorie métabolique de l'écologie qui suggère que les organismes avec des taux de croissance plus rapides ont besoin de plus de phosphore pour augmenter la synthèse des protéines riches en azote. Jusqu'à maintenant, cette théorie n'avait pas été appliquée aux microbes du sol in situ en raison de limitations méthodologiques, que les scientifiques ont abordé en utilisant une nouvelle approche génomique.

Etudier les communautés microbiennes de ces sols, les chercheurs ont découvert que la vitesse à laquelle les microbes décomposent la matière organique est associée à la disponibilité du carbone, l'azote et le phosphore dans les sols. Spécifiquement, la disponibilité du phosphore est un facteur clé dans la détermination des taux de cycle du carbone du sol. Une abondance de phosphore augmente l'activité microbienne et les taux métaboliques, ce qui à son tour signifie un renouvellement du carbone plus élevé. Une faible teneur en phosphore dans les sols riches en carbone peut aider à stabiliser le carbone accumulé, tandis que les sols riches en phosphore peuvent perdre plus rapidement les réserves de carbone. Ces associations à l'échelle de l'écosystème se sont également reflétées dans les données génomiques des microbes du sol qui déterminent le cycle des éléments du sol. Les données de séquence du métagénome du sol ont été évaluées pour le potentiel microbien de métaboliser le carbone, l'azote et le phosphore, tandis qu'un logiciel de profilage fonctionnel prédictif a permis aux chercheurs de comparer les compromis dans ces fonctions parmi les lignées microbiennes. Cette approche a révélé des grappes de séquences génomiques qui pourraient être regroupées en « guildes » sur la base des profils génomiques des gènes métaboliques, que les chercheurs ont utilisé pour développer de nouveaux modèles prédictifs de la composition de la communauté microbienne et du cycle du carbone du sol. Ce travail est une avancée importante vers la compréhension de la relation entre les communautés microbiennes et les nutriments du sol et les effets de ces interactions sur l'activité et la santé des écosystèmes.